石墨烯畅想曲,中国领跑世界

1、石墨烯畅想曲，中国领跑世界！ 产业前沿 2016-02-01 22:18虽然发现至今仅区区11年，石墨烯却不断在科学界、产业界引发一轮轮波澜。随着人们对它的认识逐渐明晰，其神秘面纱就像发现之初那样被一层层揭开薄且坚硬、透光度好、导热性强、导电率高、结构稳定、电子迁移速度快，能在常温下观察到量子霍尔效应石墨烯创造了诸多“之最”：1. 石墨烯是世上最薄的材料“石墨烯只有0.34纳米厚，10万层石墨烯叠加起来的厚度大约等于一根头发丝的直径，人们用肉眼是看不见它的。”中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞对石墨烯作了如此描述。2. 石墨烯是人类已知强度最高的物质石墨

2、烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力，在被实验的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竟然达到了2.9微牛左右。这意味着，“如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约2吨重的物品”。3. 石墨烯电阻率极低，电子迁移的速度极快石墨烯无疑是过去十年，乃至未来几十年，所有材料“明星”中最耀眼的一颗。越来越多应用在研究和畅想中，神奇的石墨烯简直无所不能。太空电梯来了科学家们已经创造出了一种碳原子线，是人的头发的1/20000，它可能是至今宇宙中强度最高的人造材料。这种超薄材料，被称为“钻石纳米线”，

3、也叫“钻石链”，结构是由类似于六边形环的碳原子构成的钻石，也就是我们所熟知的地球上已知最坚硬的天然矿物。这使得这些nanothreads可能比最先进的碳纳米管更坚强，这是钻石链的结构是用超级耐用、超轻、一个原子厚度的石墨烯片卷起来而得的，强度比现在最先进的碳纳米管还要强。金刚石结构类的纳米材料是第一次被提出，在上个世纪以利用碳基分子合成如此强度的材料的失败下，“钻石链”标志着一个重要突破。研究利用橡树岭国家实验室的一个特殊压力装置压缩由碳和氢分子的苯来进行合成。先将苯分子进行层层堆叠，然后弯曲并解体，当压力释放时候，形成了一个与金刚石结构完全不同的键结构，从而合成碳纳米线。在纳米技术和材料科学

4、领域，石墨烯和碳纳米管，这两者都是基于碳原子，但结构上却是有惊人区别。10年前自从石墨烯的分离，以其优异的导电性和强度提供了革命性的电子储能特性。这些应用包括石墨烯和碳纳米管下一代触摸屏，太阳能电池以及纳米复合储电池。新一代钻石链结构，如果被证明是比现有的材料都强，定能能促进当前和未来的科技，这涉及更多的节能高效的电动汽车，甚至是耐用电缆，真正意义上实现不用火箭送人类到太空。“对于正在开发的纳米材料，我们最疯狂的梦想之一就是能够制成超强，超轻的电缆，实现科幻小说中的太空电梯。太空电梯的支持，可以空间探索和太阳能系探索提供一个廉价的突进，磁直线电机将60000英里的碳原子线搭架在地球之上，就像今

5、天的悬浮列车。日本的一个建筑公司，认为纳米技术的进步会在2050前建立和推广这种结构。石墨烯防弹衣中国研究石墨烯防弹衣的科学家表示，石墨烯制成的防弹衣拥有2倍于现有防弹衣技术（凯夫拉纤维）的防护能力。美国莱斯大学的研究人员进行了一次微观弹道测试，以一颗微小的硅粒以3000米/秒的速度射向单层石墨烯，发现这种蜂巢形结构的材料可有效分散动能，其能力比钢材强10倍。这次实验中硅粒的初速达到了步枪的3倍，测试证明，如果在宏观层面应用石墨烯拥有非常强大的防弹能力。上海某个研究超级材料的小组称，他们新创造出的这种材料能够承受较之以往报道的石墨烯材料更大的冲击。报道称，这种材料还可以被挤压成其原始大小的约5

6、%，而且依然能够恢复其原来的形态，而且即使这一过程重复1000次还能保持完好无损。电子显微镜显示，石墨烯吸收了撞击的能量，本身变形成一个圆锥的形状，并向多个方向外扩散，在一定半径内碎裂。提高网速万倍据有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。铜导线长距离传输

7、速度最高可达100兆，而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度将比现在快1万倍。他们把这种新的宽带连接技术叫做“极带”，价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，市场上的光学调制器大约5000美元一个，而石墨烯调制器只需要几美元。相对于现有调制器几个平方毫米的体积，这种石墨烯调制器还具有体积小的优势，只有25平方微米，且仅有头发丝的四百分之一细，它可以放在电脑主板上的任何位置。石墨烯是目前已知最薄和最强韧的纳米材料，断裂强度是钢材的200倍，拉伸幅度可达到自身尺寸的20%。超薄便签闪存以已知最薄的材料石墨烯作为畅想的基础，设计师A

8、diti Singh & g Anand共同提出了dataSTICKIES的概念，它很可能取代现有的U盘或硬盘碟片，成为下一代闪存驱动器。dataSTICKIES不仅名副其实、薄如便签，还拥有可重复粘贴、不留痕迹的可粘性，使用时将它粘贴在计算机、电视机、音乐系统上，设备就能自动读取存储在其中资料，而且多个dataSTICKIES还可以堆叠在一起增加容量。这是因为它使用了特殊的导电性粘接剂，并有一层ODTS（光学数据传输层）作为传送数据的介质。秒充续航千里石墨烯这种材料拥有很高的电池密度，它可以比普通电池保存更多的电子。因此我们有望在未来的智能手机、笔记本电脑和电动汽车中看到它的身影。这

9、种超级电容的应用会让电脑变得更薄、手机变得更小、电动汽车续航变得更久，在获得更长的续航电量的同时充电速度会大大提高。想象一下，给一部iPhone充满电只需5秒;给一台笔记本电脑充电也只需几秒;一辆纯电动汽车的续航里程将达到数千英里，充电时间只需一分钟的话世界会变成什么样?石墨烯超级电容器就是有望将这一梦想变为现实的科幻技术。这种技术在当年还处于“边缘”阶段，现在由于量产技术瓶颈的突破让这种技术可以正式应用到生活中来。修复感知功能剑桥大学1月29日发布的一项研究成果显示，研究人员成功将石墨烯电极植入小鼠脑部，并直接与神经元连接，这项技术未来可用于修复截肢、瘫痪甚至帕金森氏症患者的感知功能，协助他

10、们更好地康复。剑桥大学研究人员与意大利和西班牙的同行利用小鼠脑部细胞培养物进行相关实验后发现，利用石墨烯材料制造的电极能安全地与脑部神经元连接，且连接后这些神经元可正常传递电波信号，不会产生不良反应。这些与神经元直接连接的电极能把脑电波信号传递给外界，让外界更清晰地了解脑部活动并修复感知功能。例如，机械臂如果能接收脑电波信号，就会按照截肢患者的想法去抓取物体;通过对这些脑电波信号的干预也会有助于帕金森氏症患者更好控制病情。但此前使用其他材料制作的电极效果并不理想，信号传递很不稳定。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。传统电导电极应用的是氧化

11、铟锡，而这种材料脆度较高，比较容易损毁。与之相比，石墨烯不仅更加坚硬，性能也更好。氧化铟锡光通过率比较低，用石墨烯的话，显示器的屏幕会更亮、也更省电。"折纸"无人机来自麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室的一个团队和大学äT München设计自折叠机器人。只有三分之二英寸（直径）长度。该机器人是由一片聚氯乙烯和激光切割层的聚苯乙烯和纸张的磁铁里面。一旦加热，它折叠成不到一分钟折纸的形状。在试验中，机器人可以看到四处以1.5英寸的速度（三至四厘米）每秒，游泳，爬坡，推双重量，振动。这是由于外部磁场，这是预计从四线圈下面的框中，而不需要在机器人本身的电

12、池。机器人可以指示自毁，被赶进一个罐丙酮使它溶解，只留下一个小磁铁。专家认为，在未来它将能独立运作，有可能拥有所有的现代机器人所没有得技能。一个小小的自我折叠的折纸机器人能够行走和游泳，在自毁，揭示了“折纸”无人机可以立即展开起飞。法国研究人员在EPFL和教育机器人最近推出一个“折纸”无人机可以折叠的双臂节省空间-使它小到可以放在上衣口袋里。启动它，车主可以简单地拿出来，因为直升机能在之后的指示中，展开双臂在短时间内起飞。“机器人的新颖之处在于它可以折叠或展开其转子在半秒之内，”达里奥说，LED的研究人。当不在使用时，它们会环绕在设备的身体水平。发现的可折叠的微型无人机飞行秒，研究人员说，“这

13、台设备的分离是由自己的能力自行展开的，由转子产生的力使武器进入了位置”。你可以在背包里携带许多这样的背包，比如，当你需要它们的时候，就让它们松开。”例如，该设备可以迅速进入灾害区，以便带回照片和建立联系需要的时间。武器，由玻璃纤维和光弹性聚酯，折叠成一个梯形的形状。该转子在同一方向旋转，导致手臂旋转出相反的方式，并打开左右双垂直褶皱。当手臂完全伸展时，他们的上一节水平移动，会锁定部分开放，而小磁铁则保持一切平衡。一个飞行器在飞行时保持稳定，两转子对角的对方需要顺时针转动而使其他两个逆时针进行旋转。因此，该无人机必须在起飞前扭转转子的旋转方向。这个动作是在50毫秒内自动发生，一旦传感器检测到手臂

14、已经锁定到位。智能发热理疗深圳烯旺新材料科技股份有限公司推出的全球首款石墨烯智能发热理疗系列产品如护腰、围巾、发热户外服等。江南石墨烯研究院名誉理事长、深圳烯旺新材料科技股份有限公司董事长冯冠平教授介绍说：“传统护腰升温慢、温度低，且不便于携带，而石墨烯护腰由内衬层、石墨烯加热膜层和外敷层组成，其内的碳原子产生的热能3秒内迅速升温，仅10秒可达35。石墨烯独特的晶粒取向可让护腰产品均匀发热。起主要作用的加热膜由无锡格菲电子薄膜科技有限公司生产的石墨烯制成。小方盒是USB插口充电器，采取蓝牙控温和控制盒控温模式，可持续恒温发热56小时，有三个档位供调节。像这样有温度的系列产品还有护腿、围巾、户外

15、服和坐垫等，轻薄柔软便于携带。”这类石墨烯产品的理疗效果怎样？清华大学医学院王钊教授回答说，研究发现，除了智能保暖，石墨烯在发热过程中产生的814微米远红外线是最适合人体健康的波段，能与生物体内细胞的水分子产生最有效的“共振”，促进生物生长和血液循环，强化各组织之间的新陈代谢和增加再生能力，提高机体的免疫能力，从而起到医疗保健作用。石墨烯碳滑板在湖南大学、山西大同大学等科研院所炭材料专家的技术支持下，大同新成新材料股份有限公司（以下简称新城新材）成功研发“一种受电弓炭滑板材料的制备方法”技术，已申请发明专利并获受理。该技术主要用于炭滑板的生产制造，可以显著提高炭滑板材料的导电性，导热性及摩擦磨

16、损性能。受电弓滑板是高铁机车的关键部件。目前现有技术的受电弓碳滑板中主要是添加加了硫磺、氮化硼、氯化钙粉等化学制剂，其体积密度、机械强度和可靠性等性能指标不太理想，性能指标偏低，使用寿命较短。随着新材料不断研发成功和开发应用，国际上正在逐步向碳纤维、金属纤维、带有润滑功能的金属基和无机非金属基复合材料发展。我国铁路高速化发展较晚，在碳基滑板的研制及应用方面处于滞后状态。现在国内较高速铁路用电力机车受电弓滑板主要依赖进口，且价格昂贵。铁总一直致力于力推核心零部件的国产化。针对现有技术的缺陷，新城新材提出了利用石墨烯增强炭基复合材料来制备生产受电弓碳滑板材料。该复合材料综合了炭材料的优异电学性能和

17、石墨烯增强复合材料优异的力学性能，导电性、导热性及耐摩擦磨损等性能，经过多次的科学实验，最终确定了受电弓碳滑板材料的工艺配方与技术路线。所得产品经测试，各项指标明显均优于TJ/CL 328-2014动车组碳滑板中关于碳条性能的指标要求。人造肌肉科学家创造微小的折纸石墨纸，可以变成一个盒子。纸是由2种石墨烯片制成的一个原子厚，当暴露在温度或光，从而改变石墨烯结构的褶皱。在未来，它可以创建任何从微小的机器人到人造肌肉，科学家创造了折纸风格的石墨烯纸可以折掉。这一突破是在科学家们发现了一种利用热能和红外光来移动薄的石墨烯片的方法之后进行的。作为材料界的新星，石墨烯因具有极好的电学、力学、热学以及光学

18、性能，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新能源、新材料等新兴领域都将带来革命性的技术进步。尽管石墨烯在诸多领域有着巨大应用，但是没有一种方法可以大批量生产石墨烯。二维石墨烯存在着合成成本高，工艺复杂;易于堆积或团聚;分散于稳定剂中，浓度很低等材料制备和应用难点。在制备三维石墨烯并降低成本的道路上，沈培康教授团队展开了长期研究，并迈出了关键一步发明了离子交换树脂一步法批量制备三维多级孔石墨烯材料。通过离子交换树脂一步法制备三维类石墨烯材料，产品合成工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，可以成吨、成百吨生产。目前石墨烯行业的知识产权申请数量非常大，竞争越来越激烈。目前，有报告称石墨烯技术