什么是石墨烯是超級材料？它有什么物理特性？

曼徹斯特大學的兩位科學家進行了一個看似簡單的實驗，結(jié)果可能會改變世界。在實驗室，研究人員安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃塞洛夫（KonstantinNovoselov）玩弄著石墨，這是制作鉛筆芯的材料。石墨由彼此堆疊的超薄純碳片制成。吉姆（Geim）和諾沃塞洛夫（Novoselov）想看看他們是否可以分離出單片石墨，即只有一個原子厚的薄碳層。

于是，他們找來一卷透明膠帶，然后開始了他們的試驗。英國廣播公司（BBC）報道，這就是海姆描述他們所采用的技術(shù)的方式。

“您將粘膠帶放在石墨或云母上，然后剝?nèi)ケ韺?。膠帶上會有石墨片脫落。然后將膠帶對折，然后將其粘貼到表面的薄片上，然后再分開。您將這個過程重復10或20次。每次，薄片都變得越來越薄。最后，一層非常薄的石墨薄片附著在膠帶上，然后將膠帶溶解，于是我們獲得了實驗想要的東西?！?/p>

粘膠帶方法有效！通過隔離單層碳，海姆和諾沃塞洛夫（Novoselov）發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的材料，即石墨烯，該材料現(xiàn)在被認為是地球上最堅固、最輕和最導電的物質(zhì)。

2010年，海姆和諾沃塞洛夫（Novoselov）因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得了諾貝爾物理學獎，全世界的研究人員開始倡導使用這種非凡的“超級材料”，來制造功能更強大、壽命更長的電池，更快的微芯片，柔性電路，可植入生物傳感器。十年后，石墨烯尚未兌現(xiàn)被大肆宣傳的承諾，但業(yè)內(nèi)人士有信心，我們最終將在未來幾年看到使用基于石墨烯的技術(shù)的智能手機、電動汽車和傳感器。

為什么石墨烯是超級材料？

一片石墨烯厚度僅為一個原子厚，該超級材料所具備的優(yōu)點：

石墨烯的重量比鋼強200倍。它比紙張輕1000倍。它是98％透明的。在室溫下，它的導電性能優(yōu)于任何其他已知材料。它可以將任何波長的光轉(zhuǎn)換為電流。最后但并非最不重要的一點是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我們不太可能耗盡它。

石墨烯從其結(jié)構(gòu)中獲得了超能力。如果可以放大得足夠近，您會發(fā)現(xiàn)一片石墨烯看起來像原子級蜂窩。單個碳原子以類似于雞絲的六邊形排列。石墨烯片中的每個碳原子都與其他三個碳原子共價鍵合，從而使該材料具有不可思議的強度。

為什么石墨烯導電性好？同樣，由于那些碳原子鍵合的方式。每個碳原子的外殼中都有四個電子，但是這些電子中只有三個與其相鄰的三個碳原子共享。剩余的電子稱為pi電子，并且可以在三維空間中自由移動，這使它可以在幾乎沒有電阻的情況下跨石墨烯片傳輸電荷。實際上，石墨烯是室溫下任何已知物質(zhì)中最快的電導體。

圖注：在卡博特公司，高級研究員馬特·海斯克思在三個小瓶中研究石墨烯的進度。左邊的小瓶是石墨，中間的石墨是膨脹的，右邊的是石墨烯。

魔角

最近的發(fā)現(xiàn)可能會給石墨烯的吹牛清單又添加了一行。麻省理工學院（MIT）的一個小組正在研究雙層石墨烯——兩層單原子石墨烯堆疊在一起——當他們偶然發(fā)現(xiàn)了石墨烯的一種新近神奇的特性時。當各層之間略微錯開旋轉(zhuǎn)（正好為1.1度的位移）時，石墨烯將成為超導體。超導體是最稀有的導電材料，它完全沒有電阻且熱量為零。

石墨烯“魔角”的發(fā)現(xiàn)在科學界引起了沖擊波。盡管該實驗是在極低的溫度（接近0開氏溫度或零下459.67F）下進行的，但它打開了將石墨烯與其他超導元素結(jié)合在一起，使我們比以往更接近室溫超導性的可能性。這樣的成就將從根本上改善從小工具到汽車到整個電網(wǎng)的一切能源效率。

石墨烯如何轉(zhuǎn)變技術(shù)？

納米技術(shù)教授，劍橋大學石墨烯中心主任安德里亞·費拉里（AndreaFerrari）說，超導電性還需要幾十年的時間，但是革命性的基于石墨烯的產(chǎn)品要早得多地投放市場。

費拉里說：“到2024年，市場上將會有各種各樣的石墨烯產(chǎn)品，包括電池、光子學、夜視攝像機等等。”

多年來，消費者一直在等待基于石墨烯的電池。我們所有小工具中的鋰離子電池充電速度相對較慢，汁液很快流失，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后就會燒壞。這是因為為鋰離子電池供電的電化學過程會產(chǎn)生大量熱量。

但是由于石墨烯是世界上最有效的電導體，因此在充電或放電時產(chǎn)生的熱量要少得多?；谑┑碾姵赜型蠕囯x子電池快五倍的充電速度、三倍的電池壽命和五倍的更換周期。

三星和華為等電子公司正在積極開發(fā)用于智能手機和其他小工具的石墨烯電池，但最早進入市場的電池是2021年。至于電動汽車中的石墨烯電池——這可能會顯著增加其駕駛半徑——這還有幾年時間。整個行業(yè)都建立在鋰離子技術(shù)之上，不會一夜之間改變。

"電池行業(yè)非常保守，"石墨烯公司的首席執(zhí)行官耶穌·德拉富恩特說，該公司向?qū)W術(shù)研究人員和研發(fā)部門生產(chǎn)和銷售純石墨烯和石墨烯芯片?！八赡軙课宓绞旮淖円淮坞姵氐慕M成，這使得在這個行業(yè)很難推出新產(chǎn)品?！?/p>

市場上有一些石墨烯電池，包括來自一家名為石墨烯旗艦公司的有線和無線充電器，但這只是冰山一角。費拉里（他也是石墨烯旗艦公司的科技官員。）說，歐盟為加快石墨烯技術(shù)的發(fā)展而與石墨烯公司合作了10億歐元。與旗艦公司合作的研究合作伙伴已經(jīng)在生產(chǎn)石墨烯電池，其容量和能量都優(yōu)于當今最好的高能電池20%的容量和15%的能量。其他團隊已經(jīng)建造了石墨烯太陽能電池，這種太陽能電池在將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面效率提高20%。

石墨烯的其他用途

盡管石墨烯電池可能首先進入市場，但研究人員正在忙于開發(fā)這種奇跡材料的無數(shù)其他應用。

生物傳感器很重要。想象一下一個非常薄且靈活的芯片，可以將其注射到血液中以監(jiān)控實時健康數(shù)據(jù)，例如胰島素水平或血壓?；蛘呤鞘┙缑妫梢韵虼竽X來回發(fā)送信號，以檢測即將發(fā)生的癲癇發(fā)作，甚至可以預防癲癇發(fā)作。細長的可伸縮傳感器也可以戴在皮膚上或編織到衣服的織物上。

圖注：中國香港理工大學物理學教授嚴峰博士于2015年擁有具有石墨烯電極的低成本半透明太陽能電池的新發(fā)明。

光子學是已經(jīng)納入石墨烯的另一個領(lǐng)域。通過將石墨烯集成到光敏芯片中，相機和其他傳感器甚至可以極大地提高對可見光譜和不可見光譜中最微弱的光波的靈敏度。這不僅將改善照相機和望遠鏡的圖像質(zhì)量，而且還將改善醫(yī)學圖像。

石墨烯的重量和強度是怎樣的？

2004年，曼徹斯特大學的兩名科學家進行了一項看似簡單的實驗，其結(jié)果可能會改變世界。研究人員安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃塞洛夫正在玩鉛筆尖上的石墨。石墨是由超薄的純碳片疊在一起而成的。Geim和Novoselov想看看他們是否能分離出一片石墨，一層不可能薄到只有一個原子厚的碳層。

所以，他們抓起一卷膠帶。是的，和你放在垃圾抽屜里的透明膠帶一樣。以下是蓋姆如何描述他的技術(shù)：

“您將[膠帶]放在石墨或云母上，然后剝?nèi)ロ攲?。膠帶上會掉落石墨薄片。然后將膠帶對折，然后將其粘貼到頂部的薄片上，然后再分開。您將這個過程重復10或20次。每次，薄片都變得越來越薄。最后，您將非常薄的薄片附著在磁帶上。溶解磁帶，一切都溶解了?！?/p>

粘膠帶方法有效！通過隔離單層碳，Geim和Novoselov發(fā)現(xiàn)了一種嶄新的材料，即石墨烯，該材料現(xiàn)在被認為是地球上最堅固，最輕和最導電的物質(zhì)。

2010年，Geim和Novoselov 因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得了諾貝爾物理學獎，世界各地的研究人員開始呼吁使用這種非凡的“超材料”來制造功能更強大，壽命更長的電池，更快的微芯片，柔性電路，可植入生物傳感器和更多。十年后，石墨烯尚未兌現(xiàn)被大肆宣傳的承諾，但業(yè)內(nèi)人士有信心，我們最終將在未來幾年看到使用基于石墨烯的技術(shù)的智能手機，電動汽車和傳感器。

為什么石墨烯是超材料？

一片石墨烯厚度僅為一個原子厚，可以檢查超材料的所有盒子：

石墨烯的重量比鋼強200倍。

它比紙張輕1000倍。

它是98％透明的。

在室溫下，它的導電性能優(yōu)于任何其他已知材料。

它可以將任何波長的光轉(zhuǎn)換為電流。

最后但并非最不重要的一點是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我們不太可能耗盡

石墨烯具有超強的結(jié)構(gòu)。如果可以放大得足夠近，您會發(fā)現(xiàn)一片石墨烯看起來像原子級蜂窩。各個碳原子以類似于雞絲的六邊形圖案排列。石墨烯片中的每個碳原子都與其他三個碳原子共價鍵合，從而使該材料具有不可思議的強度。

為什么石墨烯導電性如此好？同樣，由于那些碳原子的鍵合方式。每個碳原子的外殼中都有四個電子，但是這些電子中只有三個與其相鄰的三個碳原子共享。剩余的電子稱為pi電子，并且可以在三維空間中自由移動，這使它可以在幾乎沒有電阻的情況下跨石墨烯片傳輸電荷。實際上，石墨烯是室溫下任何已知物質(zhì)中最快的電導體。

三個小瓶中石墨烯的進程。左邊的小瓶是石墨，中間的小瓶是石墨膨脹的，而右邊的小瓶是石墨烯。

最近的一項發(fā)現(xiàn)可能會給石墨烯的自吹自擂增添另一個超級力量。麻省理工學院（MIT）的一個研究小組正在試驗雙層石墨烯——兩層單原子石墨烯堆疊在一起——突然發(fā)現(xiàn)了石墨烯的一種幾乎神奇的新特性。當這些層彼此稍微偏離直線旋轉(zhuǎn)時（精確到1.1度），石墨烯就變成了超導體。超導體是最稀有的一類導電材料，它完全沒有電阻和零熱量。

石墨烯“神奇角度”的發(fā)現(xiàn)在科學界掀起了軒然大波。盡管這項實驗是在極端低溫下進行的（接近0攝氏度或零下459.67華氏度），但它揭示了一種可能性，即通過將石墨烯與其他超導元素結(jié)合起來，我們比以往任何時候都更接近于室溫超導電性。這樣的成就將從根本上提高從小玩意到汽車到整個電網(wǎng)的能源效率。

石墨烯如何改變技術(shù)？

納米技術(shù)教授、劍橋石墨烯中心主任安德烈·費拉里（Andrea Ferrari）說，超導性還需要幾十年的時間，但基于石墨烯的革命性產(chǎn)品上市要快得多。

“到2024年，市場上將有各種各樣的石墨烯產(chǎn)品，”法拉利說，“包括電池、光子學、夜視攝像頭等等?！?/p>

多年來，消費者一直在熱切等待石墨烯電池。我們所有的電子產(chǎn)品中的鋰離子電池充電速度相對較慢，很快就會失去能量，在一系列的循環(huán)之后就會耗盡。這是因為為鋰離子電池供電的電化學過程會產(chǎn)生大量熱量。

但由于石墨烯是世界上最有效的導電體，它在充電或放電時產(chǎn)生的熱量要少得多。石墨烯基電池有望比鋰離子電池快5倍充電速度，比鋰離子電池壽命長3倍，循環(huán)次數(shù)是鋰離子電池的5倍。

三星（Samsung）和虎威（Huwei）等電子企業(yè)正積極開發(fā)用于智能手機和其他電子產(chǎn)品的石墨烯電池，但這些電池最早將于2021年面市。至于電動汽車中的石墨烯電池——這會大大增加它們的行駛半徑——這還需要幾年的時間。整個行業(yè)都建立在鋰離子技術(shù)上，不會一夜之間改變。

“電池行業(yè)非常保守，”Graphanea的首席執(zhí)行官Jesus de la Fuente說。Graphanea是一家生產(chǎn)純石墨烯和基于石墨烯的芯片并向?qū)W術(shù)研究人員和研發(fā)部門銷售的公司它可能每五到十年改變幾次電池的成分，這使得在這個行業(yè)中引進新產(chǎn)品非常困難?！?/p>

市面上有幾種石墨烯電池，包括一家名為Real graphene的公司生產(chǎn)的有線和無線充電器，但這些只是冰山一角，同時也是石墨烯旗艦產(chǎn)品的科技官員的法拉利說，一項由歐盟出資10億歐元的合作項目，旨在加速石墨烯技術(shù)的發(fā)展。與旗艦公司合作的研究伙伴已經(jīng)在制造石墨烯電池，其性能比當今最好的高能電池高出20%的容量和15%的能量。其他研究小組制造了石墨烯太陽能電池，這種電池將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的效率提高了20%。

石墨烯的其他用途

盡管石墨烯電池可能首先進入市場，但研究人員正在忙于開發(fā)這種奇跡材料的無數(shù)其他應用。

生物傳感器很重要。想象一下一個非常薄且靈活的芯片，可以將其注射到血液中以監(jiān)控實時健康數(shù)據(jù)，例如胰島素水平或血壓?；蛘呤鞘┙缑妫梢韵虼竽X來回發(fā)送信號，以檢測即將發(fā)生的癲癇發(fā)作，甚至可以預防癲癇發(fā)作。細長的可伸縮傳感器也可以戴在皮膚上或編織到衣服的織物上。

中國物理學教授嚴峰博士于2015年擁有具有石墨烯電極的低成本半透明太陽能電池的新發(fā)明。

光子學是另一個已經(jīng)加入石墨烯的領(lǐng)域。通過將石墨烯集成到感光芯片中，相機和其他傳感器可以大大提高對可見光譜和不可見光譜中最微弱光波的靈敏度。這不僅能提高照相機和望遠鏡的圖像質(zhì)量，而且還能改善醫(yī)學圖像。

過濾是石墨烯的另一個有前途的應用。用石墨烯聚合物制造的簡單凈水過濾器可以與飲用水中的有機和無機污染物結(jié)合。石墨烯旗艦公司的研究人員還開發(fā)了基于石墨烯二極管的脫鹽技術(shù)，這種技術(shù)可以去除海水中超過60%的鹽，用于農(nóng)業(yè)和其他用途。

所有這些發(fā)展都需要時間，但劍橋石墨烯中心的法拉利相信石墨烯將不辜負其大肆宣傳。事實上，他同樣對尚未被發(fā)現(xiàn)的2000種單分子層材料的性質(zhì)感到興奮，這些材料也正在被分離，膠帶法或其他方法。

“我們說石墨烯，但我們實際上是在探討大量的選擇，”法拉利說事情正朝著正確的方向發(fā)展?！?/p>

石墨烯屬于什么材料

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、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

擴展資料

1、石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。

而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可大0.25TPa。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異常堅固強韌。

2、石墨烯具有非常好的熱傳導性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數(shù)高達5300W/mK，是目前為止導熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。

當它作為載體時，導熱系數(shù)也可達600W/mK。 此外，石墨烯的彈道熱導率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導率的下限下移

3、石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵僅為1.42。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導熱性。

另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。 同時，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質(zhì)。

參考資料來源：百度百科 _石墨烯（二維碳材料）

超材料有哪些

一般認為超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。 迄今發(fā)展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等?！白笫植牧稀笔且活愒谝欢ǖ念l段下同時具有負的磁導率和負的介電常數(shù)的材料系統(tǒng)(對電磁波的傳播形成負的折射率)。近一兩年來“左手材料”引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注，曾被美國《科學》雜志評為2003年的"年度十大科學突破"之一。 六類超材料： 1、自我修復材料——仿生塑料 伊利諾伊大學的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復微小

石墨烯是什么材料？

石墨烯是目前世界上最薄、最硬、導電、導熱性能最強的材料，被譽為“新材料之王”，甚至被材料界稱為“黑金”。在基礎研究、傳感器、半導體、柔性顯示屏、新能源電池等領(lǐng)域，有著巨大的潛力。 但是，石墨烯“新材料之王”的寶座還沒坐穩(wěn)，另一種更具潛力的納米材料橫空出世，它就是硼烯。硼烯和石墨烯都屬于二維材料，但比石墨烯更強、更輕、更柔韌，也更容易發(fā)生化學反應。 ? 除了是電和熱的良導體，甚至還能實現(xiàn)超導。因此，有著更加廣闊的前景。 ? 由于硼烯是目前已經(jīng)最輕的二維材料，并且，其表面活性很高，極易發(fā)生化學反應，更適合在電池里存儲金屬離子。因此，硼烯是理想的電極材料。其次，氫離子更容易粘附在硼烯的二維結(jié)構(gòu)表面。