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世界上最薄最轻的纳米材料

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,它只有一个碳原子那么厚,是已知能看得见的最薄纳米级材料。

石墨烯是碳原子之间,如同手拉手一样,相互成键形成的一种碳分子,随加入碳原子数量的增多,网平面就能不断扩大,其分子也就随之变大。因此其尺度也就可大可小。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即只有0.335纳米,这一厚度约为头发的20万分之一,这样1毫米厚度的石墨中就将近有150万层左右的石墨烯。其实,任何物质都有长、宽、厚度,可以说都是三维的,但习惯上当某一方向为纳米级时,便认为可将其忽略。那么,究竟多少层才可算做是二维石墨烯材料?由于石墨烯的电子结构等性能随层数增加急剧改变,因此目前较为一致的意见是单层、双层、多层(3-10层)三种都可算是二维石墨烯材料,而超过10层的就被认为是石墨薄膜。

石墨烯的重量又非常轻,几克这种材料就能覆盖整个足球场。一平方米的石墨烯重量不到1毫克,仅相当于猫的一根胡须重,但是却可以承受整个一只猫的重量。石墨烯中碳原子间连接非常柔韧,受力时网面像吊床一样产生弯曲来保持其结构的稳定。其柔韧性和塑料薄膜一样,可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。单层的石墨烯可使许多基础物理实验成为可能。


良好柔性结合导电特性

石墨烯的电荷载体有高迁移率,使之可制成室温下的弹道晶体管,其开关时间有可能缩减到10-13秒以下,并且能在太赫芝的超高频率下运行。超导电子器件耗能少且开关时间更短,石墨烯的另一潜在应用是制作超导晶体管。目前,集成电路晶体管普遍采用硅材料制造,当硅材料的尺寸小于10纳米时,用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。因此,普遍认为石墨烯将会最终替代硅,从而引发电子工业革命。

几乎是完全透明的

石墨烯良好的透光性能,配合其他特性,配合导热,导电特性在透明电导电极方面有非常好的应用前景。电子产品中的触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等都需要良好的透明电导电极材料。

化学性质

石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯具有超疏水性和超亲油性。在一定条件下,石墨烯可以和氢、氧及氟,氯,溴反应,分别生成石墨烷、石墨炔、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯,溴化石墨烯,还可以生成上述的部分化合物(通常在许多方面具有实用价值)。

高强度力学

哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。

研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100万纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。


高截止频率

石墨烯中的电子运动速度,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”的性质和相对论性

2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。

该晶体管的截止频率为155GHz,使得其速度更快的同时,也比IBM2011年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。


高导热性

石墨烯是一类具有超高导热系数的碳质新材料

石墨烯导热高分子复合材料具有价格低廉、易加工成型、耐腐蚀等优点,在换热工程、电磁屏蔽、高频微电子元器件散热、耐磨散热材料等领域具有广泛的应用前景。具有优异传热特性的高分子复合材料依赖于所添加纳米材料的导热性能

石墨烯是理想的均热材料,用于消除局部热点,平滑温度梯度;可以在热点和散

石墨烯能在热体之间充当热传输桥


高导电性能

石墨烯的电荷载体有高迁移率,使之可制成室温下的弹道晶体管,其开关时间有可能缩减到10-13秒以下,并且能在太赫芝的超高频率下运行。超导电子器件耗能少且开关时间更短,石墨烯的另一潜在应用是制作超导晶体管。目前,集成电路晶体管普遍采用硅材料制造,当硅材料的尺寸小于10纳米时,用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。因此,普遍认为石墨烯将会最终替代硅,从而引发电子工业革命。

高比表面积

超高比表面积使得以基于石墨稀的材料成为极有前途的能量储存活性材料,使得石墨烯材料有可能在储氢、新型锂离子电池、超级电容器或者燃料电池得到应用。