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碳单质中的“黑金子”──石墨烯 湖北省枣阳市徐寨中学 袁定春 潘玉敏 近20年来，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本身并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子(Graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。 一、什么是石墨烯  石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成0维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料．。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1．42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 二、石墨烯的问世 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种 特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2005年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性 三、石墨烯的应用 石墨烯的应用范围很广，太阳能电池、生物器件、抗菌物质甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。 石墨烯成为大幅提高“太阳能电池”转换效率的王牌材料 石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。首次分离单层石墨烯的英国曼彻斯特大学研究人员康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾在接受《日经电子》杂志采访时表示“有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应用之一”。 在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相容性较高。特别是中间电极材料要求同时兼具这两个性质。具体来说，“与（迄今普遍用做中间电极的）TiO2/PDOT相比，石墨烯电极与半导体层的相容性更好” 石墨烯生物器件 由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件，石墨烯是个很优良的选择。科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言，他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基（A、 C、 G、T）会对于石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样，就可以达成目的。 抗菌物质 中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。  “太空电梯”缆线它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。 代替硅生产超级计算机 据科学家称，石墨烯除了异常牢固外，还具有一系列独一无二的特性，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。 IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯(graphene)场效晶体管(FET)，可在26GHz频率下运作。该公司Thomas J． Watson研究中心的研究人员并预测，碳元素更高的电子迁移率，可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。 四、科学预测 一秒钟内下载一部高清电影指日可待 据美国媒体今晨报道，美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只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，研究论文已于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。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。 华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器（调制器是控制数据传输速度的关键），把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达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。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，"目前市场上的光学调制器5250美元一个，而我们的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。张翔教授表示，新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上，还可用于任何受限于数据传输速度的领域，包括生物信息学以及天气预报等，未来也会广泛应用于工业领域。 低成本石墨烯电池将实现“一分钟充电” 据了解，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。 目前，作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。 新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。 作者简介：袁定春，男，1995年毕业于襄阳师范专科学校化学系，现任湖北省枣阳市徐寨中学化学教师。中学一级教师，曾在《人教网刊》、《初中生天地》、《数理报》、《英语周报》、《新课程》（中学）等杂志发表过多遍教育教学论文。 (责任编辑：admin) |