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諾貝爾獲得者談石墨烯 碳納米管更有優(yōu)勢嗎

時間:2016-04-18 09:01來源:界面 作者:西顧
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       石墨烯是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。它的發(fā)現(xiàn)者之一，2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、英國曼徹斯特大學(xué)教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫在應(yīng)用上有什么新發(fā)現(xiàn)？
 
　　單原子厚度的石墨晶體稱之為石墨烯，被視為可提供給人類的最強晶體。石墨烯開啟了在其他二維原子晶體上的實驗閘門，形成了巨大的二維晶體群。
 
　　近日，2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、英國曼徹斯特大學(xué)教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授做了題為《二維世界的材料》的主旨報告。從物理結(jié)構(gòu)方面向大家介紹石墨烯的材料，特別是從二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度。
 
　　石墨烯是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。
 
　　2004年，諾沃肖洛夫和曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈-海姆成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
 
　　二維材料伴隨著單原子層的石墨材料——石墨烯的分離成功而提出。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度(1-100nm)上自由運動(平面運動)的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。
 
　　由于二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)原子精度和性能迥異的個體層結(jié)合在一起，這些結(jié)構(gòu)性質(zhì)可以被用于針對性地研究新的物理現(xiàn)象，或適合的一個可能的巨大應(yīng)用范圍。這里的異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆的功能是“嵌入”式的設(shè)計。
 
　　相對二維材料，還有一維材料和三維材料。一維材料是指電子僅在一個非納米尺度方向上自由運動(直線運動)，碳納米管(carbon nanotube)最具代表性。三維材料則是指電子在三個非納米尺度上自由運動的材料，如納米粉末高壓成型，或控制金屬液體結(jié)晶而來的納米晶粒結(jié)構(gòu)。
 
　　對于目前石墨烯的應(yīng)用價值方面，諾沃肖洛夫總結(jié)認(rèn)為，應(yīng)該在目前已知的物理物質(zhì)里應(yīng)用石墨烯技術(shù)，而在二維材料里挖掘更多應(yīng)用，并目標(biāo)基于范德華力的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合RFID(射頻識別)制作傳感器，以及制造在這基礎(chǔ)之上的多功能產(chǎn)品。
 
　　現(xiàn)場600多名參與者中不乏國內(nèi)外對石墨烯有研究或感興趣的學(xué)者及業(yè)界人士，有中國生產(chǎn)家問及，石墨烯技術(shù)何時能大規(guī)模應(yīng)用推廣時，諾沃肖洛夫回應(yīng)稱，現(xiàn)在已經(jīng)有很多初具規(guī)模的化學(xué)產(chǎn)品，以及應(yīng)用材料等。比如，石墨烯粉末是最為常見的產(chǎn)品之一，并在中國已初具規(guī)模。
 
　　去年10月，中國國家主席習(xí)近平曾前往訪問曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院，聽取諾沃肖洛夫介紹石墨烯研究的情況，參觀了石墨烯產(chǎn)品展示和生產(chǎn)石墨烯的地下超凈實驗室。
 
　　作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

       石墨烯也已成為中國重點發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，是“十三五”新材料發(fā)展的重點。今年4月， 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會網(wǎng)站公布《石墨烯材料的術(shù)語、定義及代號國家標(biāo)準(zhǔn)草案(征求意見稿)》，并在一個月內(nèi)向社會公開征求意見。
 
　　雖然石墨烯市場關(guān)注度高，參與者眾多，但由于國內(nèi)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場魚龍混雜。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，上述征求意見標(biāo)志著中國首個石墨烯國家標(biāo)準(zhǔn)制定取得重要進(jìn)展。
 
　　業(yè)內(nèi)常把石墨烯和碳納米管作比較，在當(dāng)日的論壇上，清華大學(xué)物理系教授、清華-富士康納米科技研究中心主任范守善院士也以《怎么使碳納米管材料實用化》為題作論壇主旨報告。
 
　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。
 
　　范守善表示，目前為止，碳納米管可做成高分子彈性膜，垂直方向?qū)щ妼?dǎo)熱，橫向絕緣。碳納米管還可以做光學(xué)儀器，可達(dá)到接近100%的吸收率。
 
　　此外，范守善認(rèn)為，碳納米管薄膜的透光度好，只占10%的空間，并且做成可穿戴性的仿真品，做一些植入式的導(dǎo)線，可用于一些外科手術(shù)。
 
　　在加熱器方面，碳納米管也可發(fā)揮最大的好處，范守善表示，碳納米管可做柔性的加熱裝置，膜面積小，密度大，脈沖的響應(yīng)快，加熱和散熱就都會很快，其他材料做不到。
 
　　碳納米管也可應(yīng)用于鋰電池。“從一維材料，二維三維網(wǎng)絡(luò)來看，碳納米管是最好的材料。”范守善表示，碳納米管還可以做催化劑的載體，甚至復(fù)合材料，將高分子材料固化后，可以用碳納米管控制裁切的方向。
 
　　對于最為熱門的石墨烯電池這個話題，有業(yè)界人士問及是用碳納米管還是石墨烯更好？范守善稱，因為氧化物導(dǎo)電不好，不能阻礙離子的出入，這個角度來看用碳納米管形成的網(wǎng)絡(luò)較好。
 
　　“碳納米管的膜已經(jīng)形成固定的網(wǎng)絡(luò)，如果每個氧化物的點都在網(wǎng)上，那就有電子出入。我們想要找個特殊的薄膜電池，而不是找新的材料(指石墨烯)來競爭。”范守善說。
 

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