纳米材料石墨烯

来源:用户上传      作者: 康琳

　　前途非常光明
　　单层石墨烯是世界上最薄、最强、最坚硬的材料，还具备极佳的导热性和导电性。童话故事常常偏爱“3”：宝藏通常藏在第3个箱子里，名利双收的也往往是第3个孩子。3种新型碳材料中发现最晚的一种——石墨烯，没准儿也能继承这种幸运。科学家于1985年首次发现了足球形状的富勒烯，接下来又在1991年首次观察到了空心圆柱状的碳纳米管，这两种材料对工业界的影响至今仍相当有限。但石墨烯，这种仅一个原子厚的单层碳材料，前途似乎非常光明。不得不提的一大征兆就是，关于石墨烯性质的开创性实验，以惊人的速度摘取了2010年诺贝尔物理学奖。
　　随着众多公司竞相针对它的优良性能进行市场化开发，石墨烯获得了媒体的关注。2010年，大约有3 000篇研究论文和超过400项专利申请以石墨烯为主题。韩国计划投资3亿美元用于石墨烯的商业化，包括IBM、三星在内的许多公司都在开发石墨烯电子器件——这种超小、超快的器件有朝一日可能取代硅芯片。
　　对石墨烯的宣传可谓天花乱坠，以至于对它不甚了解的人或许会奇怪，为什么它还没有征服技术应用领域。童话故事毕竟不是现实。石墨烯的几位“前辈”也经历过几乎相同的夸大宣传。然而，富勒烯至今几乎找不到任何实际应用。碳纳米管的情形稍好一些，但它生产成本高昂，而且难以控制。它们被工业界渐渐遗忘是一个很好的教训，让我们知道新材料的商业化是一件多么困难的事。
　　然而，在碳纳米管的故事中，有几段还是挺鼓舞人心的。尽管高科技的电子学应用在多年后才可能实现，但一种科技含量低得多的应用——用于储能元件或触摸屏的碳纳米管导电薄膜，距离商业化已经很近了。另一个相对简单的用于飞机和汽车的碳纳米管强化复合材料，也将很快面市。碳纳米管生产商预感到了需求的增长，已经把生产规模扩大到每年数百吨。
　　优势更加明显
　　研究者认为，石墨烯拥有和碳纳米管类似的用途，但是石墨烯在生产和加工的某些关键方面相比碳纳米管优势更加明显，它还从20年来的碳纳米管研究工作中获益匪浅。这种后来者居上的势头，使得石墨烯生产商更清楚哪类应用值得追求，还对避免碳纳米管在前10年中遭遇到的失败开端有了更明智的见解。
　　碳纳米管和石墨烯共有的优异性质来源于它们相同的结构——碳原子按蜂窝状图案排列而成的单原子厚的网格，极强的碳-碳键保证了高得惊人的强度重量比。石墨烯强度极大，假设存在一张由完美石墨烯制成的吊床，面积为1平方米，它可以承受住1只4千克重的猫。而吊床自身的重量比猫的一根胡须还轻，而且我们用肉眼无法看见这张吊床。上述两种碳纳米材料里的碳原子在六边形晶格结构中都呈对称排布，使得它们的导电性远远超过了计算机芯片使用的硅材料。这也意味着它们的电阻要比硅低得多，因而产生的热量也低得多。
　　此外，碳材料结构上哪怕出现微小的变化，也会创造出大量新的性质。对石墨烯来说，电子学性能取决于片层的尺寸、晶格上是否存在缺陷，以及缺陷是否位于导电表面上。类似地通过改变碳纳米管的直径、长度和“扭曲度”就可以被制成半导体型或者金属型。单根碳纳米管和内部有多层柱体相互嵌套的所谓多壁碳纳米管也存在差异。这些特性很早就让研究者看到了颠覆电子学应用的希望。1998年，物理学家展示了使用一个单根半导体型碳纳米管制成的晶体管，2007年，研究人员报道合成了基于碳纳米管的晶体管收音机。
　　但若要实现这类电路的工业化量产，就会遇到一个棘手的问题：如何克服碳纳米管的易变性。碳纳米管大多在反应器中生产，反应器中的催化剂会引导富含碳的蒸气组成纳米管。产物通常是多壁和单壁、半导体型和金属型、以及各种长度和直径的纳米管的大杂烩，每种纳米管的电子学性质都不尽相同。多样性是美妙的，但当你的研究对象过于多样化，就成了一个令人头痛的问题。
　　究竟谁来取代硅片？
　　研究人员直到最近5年才找出了区分半导体型和金属型碳纳米管的方法。但是要在芯片上安装特定的纳米管，并把分离的纳米管连接起来，同时还要不影响它们的性能，存在更大的困难。因此大多数物理学家都认定，碳纳米管取代硅是不现实的。一块集成电路肯定要涉及数十亿个相同的碳纳米管晶体管，所有晶体管都要在完全相同的电压下工作。就目前的技术来说，这是不可行的。石墨烯可以让我们乐观一点。目前最优质的石墨烯片层是通过在真空中加热碳化硅薄片制备的，这种方法会在容器顶部表面留下一层纯净的石墨烯。相比合成碳纳米管的方法，这种方法制出的每批样品之间不可控变数较少，平面片层也比纳米管更大，更易于处理。然而石墨烯也存在问题。单个石墨烯片层传导电荷的能力非常强，以至于电流很难被截断。如果要用石墨烯制造数码设备上像开关一样控制电流通断的晶体管，这是一个必须解决的问题。
　　碳纳米管的前车之鉴必须警惕，碳纳米管可以从尖端发射电子去激发荧光屏上的荧光物质，因而曾被认为有希望用于制造电视机屏幕。但是实际上，它的竞争对手等离子和液晶显示器捷足先登，成为了现在使用最广泛的显示屏。
　　石墨烯有可能在近期实现的一种应用或许是超级电容。它通过折叠石墨烯片层，在极小的空间内创造出巨大的表面积，这将使每克这种材料存储的电荷比其他任何材料都多。还有一些研究人员试图将碳纳米材料用于制造燃料电池的催化电极，甚至制造水净化膜。但是，跟往常一样，要想做出显著超越活性炭等已有材料的新品，并不是一个简单的问题。
　　现在，许多公司都不约而同地在增加石墨烯的产能。科学家认为，石墨烯会找到自己的位置，但是花费的时间会比大家想象的更长。
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