比钻石还硬的材料-石墨烯

比钻石还硬的材料

—石墨烯

一、石墨烯概念

石墨烯（Graphene），是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是只有一个碳原子的二维材料，其厚度只有0.335纳米，仅为头发丝的20万分之一。

石墨烯具有突出的导热性能和力学性能, 以及室温下较高的电子迁移率。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质 ,因而备受关注。

二、石墨烯的发现

Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯，推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且能十分稳定的存在于特殊的环境下。

三、石墨烯的特点

石墨烯是构成石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯的碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形（等角六边形），如果有五边形和七边形的存在，则会构成石墨烯的缺陷。

四、石墨烯的性质

1、力学性能——比钻石还要硬

数据转换分析：在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居然达到了大约2.9微牛。

据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。

实验证明：从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。

Changgu Lee, et al.Graphene Measurement of theElastic Properties and Intrinsic Strength of

Monolayer .S cience 321, 385 (2008);

Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发。2、出色的电学性质——电子运输

碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。

3，导电性

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

4，电子的相互作用

石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

5、其它特殊性质

①石墨烯具有明显的二维电子特性。

②在石墨烯中不具有量子干涉磁阻

③石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更

④好可控渗透性

⑤离子导电体各向异性

⑥超电容性

………………

五、石墨烯的应用

石墨烯由于具有高导电性、高导热性、高强度等诸多优异特性而被称为“神奇材料”，它有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从灯泡到芯片，从电池到触屏，从智能手机到新能源汽车……

1、石墨烯电池

在电池生产中石墨烯可直接作为正负极材料，或是作为导电添加剂添加到正负极材料中，还有是作为涂层提高电池功率特性。充电和续驶里程问题一直困扰着新能源汽车，这是因为铅酸电池和传统锂电池的发展遭遇“瓶颈”，而石墨烯电池有望在此取得突破。

2、石墨烯超级材料

美国研究人员把柔软的石墨变成了强劲的“钢筋”，过程是把单层二维结构的石墨烯变成具有三维结构的石墨烯泡沫状材料，再用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料，从而制成“钢筋石墨烯”。中国研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有蜂窝状结构的泡沫材料，它像气球一样轻却像金属一样坚固，未来可以用其制造防弹衣、坦克装甲等。

3、石墨烯存储器

英国、韩国的研究人员还在致力开发基于氧化石墨烯的可弯曲、透明的存储系统。基于石墨烯的新型存储材料成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高，可以三维堆积。例如，英国开发的这款石墨烯二氧化钛存储只有 50 纳米长、8 纳米厚，写入和读取速度仅需 5 纳秒。基于此类研究，未来可弯曲、全透明的智能手机将成为现实。

4、石墨烯除污海绵

科学家利用石墨烯“海绵体”超高的比表面积，对有毒有害物质进行吸附，吸附量可达自重的上百倍，吸附之后经过处理还可循环使用。中国科学家在普通海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层，利用其导电、疏水、亲油特性，吸附海面上泄漏的浮油。