什么是石墨烯?
了解石墨烯(一种具有独特强度、柔韧性和薄度的碳基材料)的一些可能的应用。
想象一下,一个咖啡杯可以实时播放当天的头条新闻;一个烹饪锅可以在大肠杆菌让你生病之前检测到它们;或者一个像纸一样薄而柔韧的电视屏幕。如果一种名为石墨烯的神奇材料不负众望,所有这些都可能成为现实。
它的导电性与铜一样好,导热性比任何其他已知材料都要好。它只有一个原子厚,也是已知最薄的材料。而且它比钢还要坚固。石墨烯是由普通的碳制成的,碳是最常见和最熟悉的元素之一。因此,科学家们惊讶地发现这种新形式的碳具有如此惊人的特性。
碳有许多晶体形式,称为同素异形体。最著名的是钻石和石墨。同素异形体是同一元素的不同形式,原子之间的键合排列不同,从而产生具有不同化学和物理性质的结构。固体材料中原子相互连接的方式对其整体性质有很大影响。
钻石和煤块是如此不同,你永远猜不到它们都是由同一种元素——碳构成的。在钻石中,每个碳原子都与其他四个碳原子相连。这种排列非常牢固,使钻石成为已知最坚硬的材料之一。在石墨中,每个碳原子都与其他三个碳原子相连,形成六边形的层,看起来像铁丝网。六边形薄片内的键很强,但每层对下一层的吸引力都很弱,这使得各层可以相互滑动。
2004年,英国曼彻斯特大学的两位化学家利用这一特性生产了石墨烯样品,这有助于揭示其非凡的特性。他们用胶带将石墨中的碳层分开。要了解他们的技术是如何工作的,想象一下将胶带按在石墨上并将其拉开,留下覆盖着石墨薄片的粘性表面。然后将胶带按在自身上并将其拉开。经过几轮这样的处理后,胶带上的薄片就只有一个原子厚了——纯石墨烯。由于石墨烯只有一个原子厚,因此它被认为是一种二维材料。
尽管石墨烯是已知最薄的材料,但它也是有史以来最坚固的材料,比钢强一百倍。让我们来看看这种神奇材料的一些未来可能的应用。石墨烯对光几乎透明。它也是极好的电导体。因此,石墨烯可以与其他光伏设备结合使用,制造出薄、柔韧、便宜的太阳能电池板。这些轻巧灵活的太阳能电池板可以覆盖建筑物外部,模制成适合汽车车身,或包裹在家具、衣服上。这可能会带来新一代太阳能驱动的环保住宅和产品。
如今,大多数手机和平板电脑都配有触摸屏。这些触摸屏带有电荷。当你的手指触碰触摸屏时,一些电荷会转移到你身上,因此屏幕上的电荷会减少。这种减少由位于屏幕每个角落的传感器测量,信息会传递到处理器,处理器决定采取何种行动。
用石墨烯作为导电元件制成的触摸屏可以印在薄塑料上,而不是玻璃上。因此它们会变得又薄又柔韧,可以让手机变得像纸一样薄。此外,由于石墨烯的强度惊人,这些手机几乎牢不可破。许多科学家预计,这种触摸屏将成为市场上出现的第一款石墨烯产品。
由于石墨烯又薄又柔韧,它可以集成到可以植入活体组织的仿生设备中。石墨烯对活体组织内的盐离子溶液具有很强的抵抗力。因此,由石墨烯制成的仿生设备可以持续很长时间。
石墨烯传导电信号,因此它可以连接到神经元。神经元是将微弱的电信号从一个细胞传递到另一个细胞的细胞。想象一下,在受损的脊髓上排列石墨烯制成的晶体管。这些石墨烯串可以将神经脉冲从未受损的脊髓部分传递到损伤处,再传递到神经和肌肉上。如果这可行,它可以让人们重新使用因脊椎受伤而失去的手臂和腿。
这些潜在的应用使石墨烯成为一种真正令人兴奋的材料,但这些产品要成为现实还有很长的路要走。一个主要的障碍是制造足够大、足够纯净的石墨烯片以供使用。任何非碳原子都可能破坏石墨烯的完美六边形图案。许多用于研究的样品只有几平方毫米大小。幸运的是,据报道,石墨烯片的宽度接近一米,而且似乎每个月都有突破。人们正在竞相证明这种神奇材料是否能够发挥其潜力。