正在興起的石墨烯材料新時代
石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右,卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波的研究開發(fā)浪潮。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維晶體,具有神奇的電子傳輸、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機械等特征。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,在實驗室成功地從石墨中剝離出了石墨烯,證明了石墨烯可以單獨存在,因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎,從而掀起了石墨烯制備、改性和應(yīng)用的全球研究熱潮。將石墨烯用于超級電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復(fù)合材料等方面的應(yīng)用前景,開辟了石墨烯材料的新時代。
正如有學(xué)者所言,19世紀(jì)是鐵器的時代,20世紀(jì)是硅的時代,21世紀(jì)是碳的時代。碳是自然界分布最普遍的元素之一,是構(gòu)成地球上一切生命體最重要的元素。碳材料的特性幾乎涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)。先進碳材料具有新型結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能,是對未來發(fā)展具有重大和決定意義的新材料。
新材料產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點之一,也是未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo),是我國成為世界制造業(yè)強國的重要基礎(chǔ)。石墨烯作為先進碳材料,它是當(dāng)今發(fā)現(xiàn)的世界上最優(yōu)質(zhì)的材料。它有以下特點:最薄,0.35nm,被稱為現(xiàn)今世界最薄的材料;比表面積最大,2620m2/g;最硬,剛度優(yōu)于金剛石,是人類已知強度最高的物質(zhì),比鋼鐵硬100倍;最抗拉,可彈性拉伸20%;熱導(dǎo)率最高,5300W/m.k;最高遷移率200,000cm2/v.s@300k;高透光性,透光率為97.7%/單層;高載流能力:電流密度比銅高6個數(shù)量級;最奇特的是,石墨烯是二維量子材料,線性能帶色散關(guān)系,載流子有效質(zhì)量為零,能在溫室下觀察到量子霍爾效應(yīng);還具有室溫彈道輸運特性。
石墨烯具有超薄、超輕、超高強度、超強導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性,幾乎完全透明,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,應(yīng)用非常廣泛,發(fā)展前景巨大,是推動戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵材料。
石墨烯具有無限廣闊的應(yīng)用前景,雖然現(xiàn)在還是潛在階段,普遍應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化還沒有打開局面,但是從科學(xué)預(yù)測的角度來看,已經(jīng)成為不可忽視的重點領(lǐng)域。比如,它可替代和解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端,可解決電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵難題,使新能源電動汽車蓬勃發(fā)展。再比如可以替代硅,制造未來新一代超級計算機;替代ITO透明導(dǎo)電薄膜,應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業(yè)領(lǐng)域;還可應(yīng)用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機、超薄折疊手機、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創(chuàng)造的需求,極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。從全球發(fā)展趨勢來看,誰都不愿意喪失石墨烯發(fā)展帶來的重大機遇。