什么是石墨烯?

石墨烯是一种具有多种特性的材料,能够彻底改变技术

石墨烯

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石墨烯是一种由二维碳原子层以六边形结构排列而成的材料,其高度相当于一个原子的高度。这种材料可以通过提取石墨表层来生产,石墨是地球上一种丰富的矿物,也是最常见的碳同素异形体之一。

石墨烯的化学键和厚度决定了该元素的几个重要特性,例如机械阻力以及导热性和导电性。这些功能因其无限的使用可能性而吸引了科学家和技术行业。

石墨烯的发现

2004 年,俄罗斯物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫偶然发现了稳定的二维石墨烯。这一发现为研究人员赢得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。 然而,这种碳同素异形体的存在自 1930 年以来就已为人所知。

石墨烯特性

石墨烯具有众多特性,使其成为具有多种技术应用的材料。了解这种同素异形体的主要性质。

机械性能

石墨烯是有史以来最强的材料。这种阻力源于其碳原子之间形成的强键。广泛用于土木建筑的材料,如钢,只能承受三分之一的压力。

石墨烯的另一个有趣特性是其高杨氏模量,这表明这种材料除了具有抗性外,还非常有弹性。因此,它能够相对容易地恢复到其原始尺寸。

每个碳六边形的小区域是石墨烯的高不可渗透性的原因,石墨烯可以用作一个小网,能够容纳容易从容器中泄漏的气体,例如氢气。除了极其耐用之外,石墨烯还非常轻:它的密度为 0.77 g/m²,换句话说,比一张纸轻约一千倍。

电气特性

电子几乎可以自由地通过石墨烯传播而不会发生偏转或碰撞。由于碳键的六边形结构,电子以相对论速度在这些薄层内移动,即接近光速。

在室温下,石墨烯的电阻率是最低的。因此,这个元素可以被认为是最好的金属导体。

光学特性

通过允许 97.5% 的入射光通过,石墨烯是肉眼不可见的。这种光学行为源于石墨烯中电子的相对论特性。这意味着,通过堆叠几片石墨烯,可以产生一个完美的黑体,能够吸收几乎所有入射在其上的辐射。

热性能

由于其电性能,石墨烯是一种极好的热导体。这种材料能够比任何已知材料更快地散热。此外,一些研究表明其熔化温度为 3851°C。

因此,石墨烯的主要性质和特点是:

  • 它非常薄:它是一个原子的厚度;
  • 它具有很强的抵抗力:比钢强约 200 倍;
  • 它很灵活;
  • 它是防水的;
  • 透明:透过约97.5%的光线;
  • 它具有高导热性和导电性:它传导电能的速度比铜快 100 倍。研究还表明,电子穿过石墨烯的速度为 1000 公里/秒(比硅快 60 倍);
  • 它具有高硬度
  • 它具有较小的焦耳效应:在传导电子时以热量的形式损失较少的能量。

石墨烯应用

由于其性质和特性,石墨烯是已知的最有前途的材料之一。它的技术应用非常广泛,但受到大规模生产这种材料的能力的限制。折叠 LED 屏幕、光伏电池、更高效的晶体管、超级电容器、散热器和超级手机电池等设备是使用石墨烯开发的技术的一些例子。

此外,石墨烯还可应用于其他研究领域,例如:

饮用水

石墨烯形成的膜能够淡化和净化海水

二氧化碳排放量

石墨烯过滤器能够通过分离工业和企业产生的气体来减少二氧化碳排放

疾病检测

更快的生物医学传感器基于石墨烯,可以检测疾病、病毒和其他毒素。

建造

添加石墨烯后,混凝土和铝等建筑材料变得更轻、更坚固

美学

通过喷洒石墨烯染发可持续长达 30 次洗涤

微器件

由于用石墨烯代替硅,芯片更小更强

活力

使用石墨烯的太阳能电池具有更好的灵活性、更高的透明度和更低的生产成本

电子产品

具有更好更快能量存储的电池

流动性

使用石墨烯,自行车可以拥有更坚固的轮胎和重 350 克的车架

在与石墨烯相关的研究中,涉及开发用于互联网的新型数据传输电缆的研究脱颖而出。根据该杂志发表的一项调查 自然通讯,这个想法是利用石墨烯中电子达到的所有速度——细胞在石墨烯中的移动速度比目前使用的电缆快数百倍。

石墨烯对巴西的重要性

巴西是寻求更便宜、更有效的石墨烯生产方法的技术竞赛的一部分。根据国家矿产生产部 (DNPM) 的报告,石墨烯市场应该是世界上最赚钱的市场之一,有可能在 10 年内达到 1 万亿美元。此外,巴西拥有世界上最大的石墨烯储量。

石墨烯价格

由于其获取途径复杂,石墨烯的价格仍然居高不下。允许生产这种材料的纯薄层的最新技术是在金属基材(例如铜板)上进行气相沉积。

目前,一块 2.08 厘米 x 1.54 厘米的石墨烯片的成本高达 275 美元:平均每平方英寸 21 美元。然而,杂质和不对称等因素可以大大降低这个价格。石墨烯也可以从石墨中获得:1公斤石墨,成本约为1美元,可以生产150克石墨烯,价值超过1.5万美元。

关于石墨烯的好奇心

  • 来自欧盟的石墨烯旗舰项目拨款约 13 亿欧元,用于与石墨烯相关的研究、工业规模的应用和生产开发。共有来自 23 个国家的 150 家机构参与了该项目。
  • 为太空旅行开发的第一个手提箱的成分中含有石墨烯。它计划于 2033 年发射,届时 NASA 计划对火星进行探险。
  • Borophene 是石墨烯的新竞争对手。这种材料于 2015 年被发现,被视为石墨烯的改进版本,更加灵活、耐用和导电。

获得石墨烯的过程、其应用及其对巴西的重要性


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