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轉載:簡談第四次工業革命核心科技之新材料之王:石墨烯

發布時間:2021/02/09 瀏覽次數:561

迄今為止,人類社會已經歷經了三次工業革命,即:第一次工業革命,是18世紀60年代到19世紀中的蒸汽時代。之前,人類活動都是依靠人力,但人的力量是有限的。在蒸汽機出現以后,人類的生產力得到了解放,從農業時代進入到了工業時代; 而第二次工業革命,是19世紀下半葉到20世紀初的電氣時代,隨著電力的廣泛使用,并且開始使用第二種化石能源——石油,人類進入現代化社會;

從20世紀4、50年代直到今天,隨著第一臺二進制計算機的問世,人類進入了信息時代。 目前,科技界普遍認為,人類已然進入第四次工業革命的初期,量子科技、人工智能、基因工程、新材料、新能源等是核心的基礎科技。 之前,我在《科普時報》的專欄中,簡單科普了這些科技中的量子力學的基本概念、量子計算、量子通訊、人工智能等。那在接下來的系列文章中,將再簡介一下石墨烯、可控核聚變,以及轉基因等。 在此先從堪稱能改變世界格局的21世紀的“新材料之王”——石墨烯(Graphene)談起。 什么是石墨烯呢?

簡而言之,石墨烯是碳的一種存在形式,它與從鉛筆芯一直到金剛石(也就是鉆石)為同素異形體,由同樣的單一化學元素組成,區別只是它們的碳原子之間的結構不同,因排列方式不同而具有不同性質的單質。 就拿鉆石來說,其碳12原子的結構特征是每個碳原子都有四個共價鍵,原子間結構牢固,組成具有四個角相等的正四面體,形成一個鉆石晶胞,然后無數個鉆石晶胞聚在一起形成了鉆石。后來,由于其化學鍵硬實,結構牢固,被壟斷世界鉆石業的De Beers(戴比爾斯)借用來代表愛情: “鉆石恒久遠,一顆永留傳”,成了全世界每個新娘的必需品。 那么,什么是石墨呢? 首先,石墨不是立體結構,是一層一層的,每一層由無數個六個碳原子形成的環連在一起,而無數層的落起來就是石墨。 不過,層與層之間沒有化學鍵,靠的是分子的范德華力結合(注:Van Der Waals’forces,根據荷蘭物理學家約翰內斯·范德瓦耳斯命名,指分子或原子之間非定向的、無飽和性的、較弱的相互作用力),而范德華力和化學鍵相比,結實程度相差太遠了,好似手紙一般,層與層之間非常松軟,而且還可以相互滑動,因此,石墨具有潤滑性。 而一個單層的石墨就是石墨烯了——由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料,但為何叫“烯”呢?因為它有碳碳雙鍵。 以前,石墨烯被認為是假設性結構,無法單獨穩定存在,直至2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Sir Andre Konstantin Geim),以及其學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Sir Konstantin Sergeevich ''Kostya'' Novoselov),成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。 其實,他們沒有使用任何高科技手段,而是“純手工”的用透明膠帶來切割石墨,將石墨烯“撕”出來的。不過,這聽著簡單,卻包含了一個數學原理,就是不管多厚,哪怕有幾萬層,只要每次一分為二,再一分為二,so on and so forth,分十五次就能達到目的(你們可以自己試試看,拿一本厚書,一分為二,再一分為二,看看分幾次就能分出一頁,一般不會超過10次,因為2的10次方就超過1,000頁了……)。 顯然,石墨烯是目前世上最薄的納米材料,一層的厚度只有0.355納米,三層一塊兒才一個多納米,是幾乎完全透明的,只吸收2.3%的光,好似二維結構;又是目前世上最堅硬的納米材料,重量極輕,強度卻是鋼的300倍!同時,還是目前世上電阻率最小的材料(其電阻比銅或銀更低,即導電性非凡),以及拉伸性好、導熱性和散熱性均最強等各種特點。

那么在現實中,石墨烯可以用在哪里呢?事實上,可用的地方太多了,僅例舉一些吧。 由于石墨烯的電子移動速度極快,又輕又薄又結實,機械強度特別高,再加上它是透明、電阻率極低、良好的導體,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件、甚至芯片;也適合用來制造透明觸控(可折疊的)屏幕或光板、甚至太陽能電池;并可用來做汽車或航空的材料;在軍事上的用途更廣,比如防彈衣,又比如航母彈射器管道中的潤滑層(現在都是用特種潤滑油,當滑塊高速運動時,會摩擦產生高溫,潤滑油會變質、甚至蒸發,以致磨損滑塊)…… 而在科幻中,大家可能聽說過太空電梯(這里先挖個坑,以后另外詳談)?,F在人類上太空需要發射運載火箭,載人艙與空間站對接,又費錢又費時,相當危險。于是,在科幻影視里,人類會搭建一部電梯,直接連接到太空站,去太空旅游的話,只要進到這個電梯,按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯,因其又輕又堅固,這個科幻構想看來就將成為現實了!

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