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石墨烯出彩将为人类做出耀眼的贡献

 发布时间:2016年05月20日
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石墨烯出彩将为人类做出耀眼的贡献

赵振和 李延泉

什么是石墨烯?石墨烯是一种二维碳原料,它是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,在实验室中成功从石墨中分离出的石墨烯,两人也因[在二维石墨烯材料的开创性试验]为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,导热系数高,且为世上电阻率最小的材料,石墨烯断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它也是强度最高的材料,本身重量不足1毫克的石墨烯做成 1平方米的 板材,可以承受一千克重量的物品。

石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面它非常精密,即使是最小的气体原子(氮原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为导电速度更快的新一代电子组件、透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

导电速度更快的新一代电子组件或晶体管,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯是由一层碳原子形成的薄片,由碳原子组成一个个六角形的环,环环相连形成蜂窝状平面。一层石墨烯的薄度小于一个纳米,肉眼看不见也摸不着,20万片石墨烯加在一起,才有一根头发丝那么粗。

石墨烯将取代硅,为世界电子科技开创一个崭新的时代!

石墨烯手机充电只需5秒,电池就满档,可以连续使用半个月!

石墨烯电池只需充电10分钟,环保节能汽车就有可能行驶1000公里!

科学家确认,石墨烯未来将取代煤炭与石油天然气,成为提供人类生活所需大多数发电能源的来源!

美国加州理工学院的科研人员开发出一种在室温下制备石墨烯的全新技术,可应用于太阳能电池、发光二极管、大型显示屏和各种电子产品。这使得石墨烯的商业化进程又迈出了坚实的一步。

2015年10月23日,中国国家主席习近平访问英国期间,参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院。正是这所大学的两位科学家,在2004年成功从石墨中分离出石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。习主席听取了诺贝尔物理学奖获得者诺沃肖洛夫教授介绍石墨烯研究情况参观了石墨烯产品展示和生产石墨烯的地下超净实验室。在同一天,中国华为宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用,共同开发ICT领域的下一代高性能技术,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。

这绝对不是华为一项普通的合作项目,因为此前任正非曾声称:未来10至20年内将爆发一场技术革命,即“石墨烯时代颠覆硅时代”。所以,华为跟曼彻斯特大学的合作,显然带有未来的战略布局意义。

这项技术对于产油国来说,是巨大的经济利空。石油这种“黑金子”将被石墨烯这种新的“黑金子”所取代。石油国家的政治地位和收入将急剧下降。那些源自石油的权利、财富、荣光,将逐步变得斑驳陆离,最终成为梦幻泡影。在页岩油、石墨烯的打击下,相当一批依靠石油致富的国家,可能被经济危机拖入深渊。

习近平肯定曼彻斯特大学国家石墨烯研究院在石墨烯领域的研究实力和国家影响力。习近平指出,在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下,新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导,对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。中英在石墨烯研究领域完全可以实现强强联合。相信双方交流合作将推动相关研究和开发进程,另双方受益。

习主席的谈话,说明中国非常重视石墨烯工艺的研发,对石墨烯未来全面取代石油和天然气资源的前景充满信心。

目前全球已有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯研发,然而中国在石墨烯研发上,目前已申请超过2200项专利,占世界的1/3。

科研发展的未来,将会出现以石墨烯电池发电的环保汽车,势必为世界汽车工业带来巨大的革命性转变。届时石油的需求量将大幅降低,中东及东南亚依靠石油生存的产油国将面临灾难性的打击!

华为创始人任正非在一次媒体采访时说,未来10-20年内会爆发一场技术革命的颠覆时代,石墨烯时代将取代硅时代,使得石墨烯知名度大增。在华为2014年年报中,华为在行业趋势展望中再一次提及石墨烯在材料领域的价值。

西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)也与西班牙科尔多瓦大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到10分钟。

Graphenano公司计划于2015年将此电池投入生产,并且计划与德国的四大汽车车公司中的两家(现在还不方便透露公司名称)将在本月和电动汽车进行试验。

这种石墨烯聚合材料电池的使用寿命较长,是传统氢化电池的四倍,锂电池的两倍。且因石墨烯的特性,此电池的重量仅为传统电池的一半,使得装载该电池的汽车更加轻量化,进而提高汽车燃油效率。

虽然此电池具有各种优良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相关负责人称,此电池的成本将比锂电池低77%,完全在消费者承受范围之内。此外,在汽车燃料电池等领域,石墨烯还有望带来革命性进步。

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比,具有能量转化效率高、无环境污染等特点。质子传导薄膜是燃料电池技术的核心部分,汽车中的燃料电池使用氧和氢作为燃料,转变输入的化学能量成为电流。

现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏,降低了电池有效性,但质子可以较为容易地穿越石墨烯等二维材料,而其他物质则很难穿越,从而可以解决燃料渗透的问题,增加电池的有效性。

石墨烯薄膜可用于提取大气层中的氢,暗示着该材料结合燃料电池更容易从空气中提取氢。麻省理工学院的Karnik教授在评论中指出这项最新研究证实在理论上已达到美国能源部设定的2020质子交换膜输运性能目标。

这项突破性研究,为人类认知石墨烯等材料特性带来全新发现,并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的进步。

今年3月,中国科学院重庆绿色智能技术研究院和宁波材料技术与工程研究所开发,采用最新研发的石墨烯触碰屏幕、电池和导热膜等新材料,产出全球首批名为影驰SETTKERα(开拓者α)的石墨烯手机,除了屏幕显示效果更好,在电池续航力及手机使用过久发热问题有显著改善。

台湾师范大学化学系教授洪伟修表示,石墨烯是室温下导电最好的材料,过去在外层空间才能发现这种高速传导的效应,国内已有学术单位研究其应用,实验将其用在高速晶体管,研发高阶的通讯器材。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也被誉为“万能科技材料”,可应用在太阳能、航天、军工、屏幕等科技产业,而且可以帮助电池充放电效率提升,寿命和质量也比传统锂电池好。

目前传统锂电池的缺点是充电时间过长。未来若改用石墨烯,不但可以解决电池续航力的问题,也不会有传统锂电池使用过久的发热现象。

博隆咨询分析师朱翔表示,石墨烯是具有相当前景的科技材料,尚未普遍应用主要原因,其一石墨烯目前无法大量生产,所以制作成本较高,此前价格曾高达每公克5000元人民币;其二在石墨烯的产业供应链尚未成熟,而且市场需求量还不高,主要需求以各大科学研究所和实验室为主与,但国外对石墨烯产业非常重视,各大企业争相在布局相关产业,未来发展仍不可忽视。

据称,石墨烯材料如果取代硅,有望让计算机处理器的运行速度快数百倍;石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命,制造出可折叠、伸缩的显示器件;石墨烯强度超出钢铁数十倍,有望被用于制造超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣等。所以石墨烯的出彩将为人类做出巨大贡献。


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