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石墨烯时代来了?洗洗睡吧!

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发表于 2014-6-24 11:14:02 |显示全部楼层
近日,华为总裁任正非在深圳接受中国媒体的采访时表示:“我认为这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代”。再加上此前,国内媒体报道,国内石墨(石墨烯的原料被看做是石墨,其实工业生产中并非如此)有可能会在20年内采集殆尽。这一文一言,让原本就一直热炒不退的石墨烯概念再度爆发。那么,石墨烯时代是不是真的?或者说石墨烯时代已经来了?未必!


石墨烯,一种碳原子组成的单层片状结构的材料,自2004年英国物理学家发现之后,开始占据全球科学热点,至今仍未有退烧的迹象(有数据统计,去年全球发表石墨烯的[color=rgb(68, 68, 68) !important]论文达到了1万篇)。据研究,石墨烯的性能极为优异,诸如最坚硬的[color=rgb(68, 68, 68) !important]纳米材料,电阻率极低,导热系数惊人……由此,科学家们戏称之为“材料之王”,为它描绘了美好的未来:超级电容器、透明电极、锂离子电池、传感器、功能涂料……

那么,这个“材料之王”,容易制备吗?


看起来不难。当年英国两位科学家是用机械剥离法,也就是把石墨两面粘上胶带,然后揭开,如此反复,得到了单层的碳原子结构的石墨烯。


方法很简单,需要的工具也很简单。问题在于成功率很低,需要剥离数百次,如果有一次用力过大,就会破坏样品。材料科研工作就是这样,做出一个好样品,得到好数据,然后发文章。但是这个好样品背后,却是数以百计、千计的坏样品,甚至能不能稳定的得到好样品,都是个问题。


不管怎样,这种方法实在是不适合工业生产。工业生产中主要使用化学气相沉积、化学氧化还原法……方法很多,但是迄今也没有找到能够大规模制备的方法。


而且,目前所使用的工艺经常使得碳原子破裂或撕裂,无法与实验室中完美比例的石墨烯相媲美。如果石墨烯存在缺陷的话,性能将会大大削减。例如完美的石墨烯在断裂前能够经受100吉帕的压力,大约相当于1000000倍的大气压。但有缺陷的石墨烯的断裂强度大约只有前者的十万分之一,性能相对就很普通了。


所以,制备真正具有优良性能的石墨烯,并不是件容易的事。


那市面上所充斥的石墨烯产品又是怎么来的? 这涉及一个“大石墨烯”概念。“大石墨烯”可分为:石墨烯微片(Graphite)、氧化石墨烯(Graphene Oxide)、石墨烯(Graphene)。实际上,世界上承认的,获得诺贝尔奖的,是石墨烯。市面上所宣扬生产“石墨烯”的厂家,基本上在混淆这个概念,生产的都不是真正意义上的石墨烯。


欧盟前段时间启动了”石墨烯“旗舰项目,该项目时长10年,总投入为10亿欧元,成为了全球最大的材料科学研究项目。设想一下,如果以国内作坊式的工厂制备出了大规模的墨烯,欧洲人岂不得撞墙?


还有,”材料之王“真的能颠覆吗? 这也未必。


首先,我们并不需要“材料之王”。我们只需要在保证性能的前提下,成本最低的材料。每一种材料,都有自己的优缺点,有自己的适用范围。换句话说,合适的地方,使用合适的材料。工业应用中,到处都是这样的例子。


钛合金强度高密度小,机械性能好,韧性和抗腐蚀性能很好。那么,是不是钢铁材料的结构材料老大的地位会被钛合金取代呢?显然不会。一款钢架结构的自行车价格大约300元。而一款钛合金结构的自行车一般在4万。谁的销量更多,结果不言而喻。所以,钛合金被用在在需要考虑其性能的环境下,例如航天、航空、航海等领域。例如飞机每减重10%,燃油减少消耗4%。这时候,在部分地方使用钛合金减轻重量,无疑是更划算的。


[color=rgb(68, 68, 68) !important]材料人网前段时间发表的汽车轻量化材料文章中有介绍,使用全碳纤维车身和底盘的汽车,售价400万人民币。它注定只能成为富豪的玩物,而不会开进寻常百姓家。未来,主流汽车将仍然是以钢铁材料为主。


如果从性能和成本上来说,每种材料自有其价值和应用范围,不存在谁颠覆谁。我们常说硅时代取代铁器时代,但用来做刀剑、工具的仍然是钢不是硅。硅只是在一个全新的电子器件领域获得了巨大的成功。所以,即使将来石墨烯发挥了巨大的作用,恐怕也是在一个全新的,其他材料不可替代的领域发挥作用,而不是用来替代现有领域的其他材料。何况,石墨烯颠覆硅有着先天性的缺陷。数字电路的核心是要求要求是能够开关切换。半导体材料具有带隙,能够实现电路的开关。而石墨烯不具备这种性能。


当然,石墨烯的”优良性能“最终能不能化为器件,在某一领域改变人类生活,也是一个未知数。


数十年前,碳六十被发现时,也获得了像今天石墨烯这般追捧,被寄予了可以改变人类生活的”神器“。不但发现者于1996年获得诺贝尔化学奖,而且”21世纪是碳的时代“这种说法也始于此。然而,距碳六十被授予诺贝尔化学奖已经近二十年,至今仍看不多它”改变人类生活“的苗头,反而逐渐淡出人们的视线。碳家族中被追捧过的还有碳纳米管。因其柔韧性,可以拉伸并还原,碳纳米管被称作超级纤维,从问世至今也有20多年了,同样归于平静。


而石墨烯,会不会步它的前辈的后尘,或者被另外一种材料所”颠覆“,同样犹未可知!

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发表于 2015-1-13 08:49:49 |显示全部楼层
石墨烯的应用还有待开发,空间巨大!
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