何為石墨烯的物理性質(zhì)？

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn)：碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)電子生成sp2鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實(shí)，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個(gè)相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除以σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個(gè)碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。石墨烯是目前已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強(qiáng)度，平均模量可大0.25TPa。[5] 由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會(huì)異常堅(jiān)固強(qiáng)韌。

石墨烯納米帶的介紹

石墨烯是常溫下高于納米碳管或硅晶體的電子遷移率、低于銅或銀的電阻率等物理特性，因此成為了制備功耗更小、速率更高的新一代納米電子元件的重要基礎(chǔ)性材料。

石墨烯對于現(xiàn)代化機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)方面有哪些具體的作用？

引言：當(dāng)前，我國十分重視科技創(chuàng)新能力的提升。石墨烯作為科學(xué)界的“吉祥物”，其擁有的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱性能和高比表面積等性能，應(yīng)用在人類生活的諸多領(lǐng)域，未來市場前景廣闊，被視為21世紀(jì)的“革命性材料”。

石墨烯在現(xiàn)代化機(jī)械工程的應(yīng)用——單分子氣體偵測

石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感。即使是一個(gè)氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。 通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程 。通過測量霍爾效應(yīng)方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當(dāng)一個(gè)氣體分子被吸附于石墨烯表面時(shí)，吸附位置會(huì)發(fā)生電阻的局域變化。

石墨烯在醫(yī)學(xué)方面的作用

國外科研人員開發(fā)出的“電子芯片上的器官”平臺(tái)，是利用生物電傳感器對心臟細(xì)胞的電生理學(xué)進(jìn)行三維測量?？蒲腥藛T將石墨烯傳感器制成的傳感器陣列固定在芯片表面，刻蝕出一個(gè)鍺金屬底層。移除這個(gè)底層后，生物傳感器陣列就可釋放并以桶形結(jié)構(gòu)從表面卷起。通過對卷起過程的力學(xué)分析精確控制傳感器的形狀，以確保傳感器與心臟組織之間的接觸?？蒲腥藛T通過石墨烯傳感器陣列可以自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器和組織之間微妙“接觸”水平，以避免因外部壓力而改變組織的生理?xiàng)l件，從而測量出高質(zhì)量的電信號(hào)。

石墨烯在現(xiàn)代化機(jī)械工程的應(yīng)用

為了要賦予單層石墨烯某種電性，會(huì)按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨納米烯帶。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。石墨烯納米帶的二維結(jié)構(gòu)具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅而被廣泛應(yīng)用。說白了是良好的導(dǎo)體。

石墨烯有哪些特性

石墨烯具有良好的強(qiáng)度、柔韌度、導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性。它是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，具有非常好的熱傳導(dǎo)性能，所以它被大量運(yùn)用在全新的采暖行業(yè)。

和常規(guī)發(fā)熱膜一樣，石墨烯需要通電才能發(fā)熱，當(dāng)在石墨烯發(fā)熱膜兩端電極通電的情況下，電熱膜中的碳分子在電阻中產(chǎn)生聲子、離子和電子，由產(chǎn)生的碳分子團(tuán)之間相互摩擦、碰撞(也稱布朗運(yùn)動(dòng))而產(chǎn)生熱能，熱能又通過控制遠(yuǎn)紅外線以平面方式均勻地輻射出來。

石墨烯通電后，有效電熱能總轉(zhuǎn)換率達(dá)99%以上，同時(shí)加上特殊的超導(dǎo)性，保證發(fā)熱性能的穩(wěn)定。但是與常規(guī)金屬絲發(fā)熱膜不同的地方在于，發(fā)熱穩(wěn)定安全，而且散發(fā)出來的紅外線被稱為“生命光線”。

綜上所述，石墨烯材料良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能非常適合應(yīng)用于新型采暖行業(yè)，讓采暖過程更加舒適，便捷。

石墨烯的制備方法

目前石墨烯制備方法主要包括化學(xué)氣相沉積法、溶劑剝離法、氧化還原法、微機(jī)械剝離法、外延生長法、電弧法、有機(jī)合成法、電化學(xué)法等。
以化學(xué)氣相沉積法(CVD)為例：所謂CVD法，指的是反應(yīng)物質(zhì)于氣態(tài)條件下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在加熱固態(tài)基體表生成固態(tài)物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)固體材料的制成的工藝技術(shù)】。
目前，以CVD法進(jìn)行石墨烯制備時(shí)通過將碳?xì)浠衔锏群細(xì)怏w通入以鎳為基片、管狀的簡易沉積爐中，通過高溫將含碳?xì)怏w分解為碳原子使其沉積于鎳的表面，進(jìn)而形成石墨烯，再通過輕微化學(xué)刻蝕來使鎳片與石墨烯薄膜分離，從而獲得石墨烯薄膜。該薄膜處于透光率為80％的狀態(tài)下時(shí)其導(dǎo)電率便高達(dá)1．1×106S／m。通過CVD法可制備出大面積高質(zhì)量石墨烯，但單晶鎳價(jià)格則過于昂貴，該方法可滿足高質(zhì)量、規(guī)模化石墨烯的制備要求，但工藝復(fù)雜，成本高，使得該方法的廣泛應(yīng)用受到限制。