比钻石还硬的材料-石墨烯
石墨烯简介
石墨烯简介有这样一种材料，它的机械强度是世界上最好钢的100倍，有着最快的电子迁移率，1秒内就可以传完两张蓝光DVD的容量……这就是石墨烯。
石墨烯是从石墨中剥离出的单层碳原子面材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，也可称为“单层石墨”（碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，为平面多环芳香烃原子晶体），它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。
一、石墨烯发展简史20世纪初，科学家开始接触到石墨烯。
2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·杰姆（AndreGeim）和他的学生克斯特亚·诺沃消洛夫（Ko-styaNovoselov）用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。
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，把石墨片一分为二，不断重复这样的操作，于是薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。
2010年,他们二人凭借着在石墨烯方面的创新研究获得了诺贝尔物理学奖。
获奖后，一些媒体渲染性地报道：“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。
”二、特性石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质：结构非常稳定，迄今为止研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的连接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品；几乎完全透明，却极为致密、不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透；导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料；化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
三、制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法两种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法，化学法包括化学还原法与化学解理法、化学气相沉积法等。
生物材料——石墨烯)
• 其他应用：石墨烯还可以应用于晶体管、 触摸屏、基因测序等领域，石墨烯可以用 来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯 做的光电化学电池可以取代基于金属的有 机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的 传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种 物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的 超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣 ，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长 太空电梯成为现实。
• 氧化还原方法：氧化还原法由于其稳定性 而被广泛采用，产量高。但氧化过程会导 致大量的结构缺陷，这些缺陷导致的电子 结构变化使石墨烯由导体转为半导体，严 重影响石墨烯的电学性能，制约了它的应 用。
• 3.石墨层间化合物法：石墨插层化合物途径 制得的石墨烯结构缺陷少，质量高，但是 有机溶剂和表面活性剂难以完全除去，影 响石墨烯的电学性能，而且部分有机溶剂 价格昂贵。
组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有 一个碳原子厚度的二维材料。 • 世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几 乎是完全透明的，透明度高于高于碳纳米 管和金刚石。
• 石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构 成的材料。铅笔里用的石墨就相当于无数 层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是石墨 烯卷成了筒状。
• 适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至 太阳能电池。
• 光子传感器：因为石墨烯是透明的，用它 制造的电板比其他材料具有更优良的透光 性。
• 基因电子测序：由于导电的石墨烯的厚度 小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及 DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此， 石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本 的基因电子测序技术。
• 减少噪音：通过在二层石墨烯之间生成的 强电子结合，从而控制噪音。噪声。
• 机械特性：石墨烯是人类已知强度最高的 物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好 的钢铁还要高上100倍。
石墨烯的结构与性能.
力学性能
• 石墨烯是已知材料中强度和硬度最 高的晶体结构。
• 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。
• 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
力学性质——比砖石还要硬
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。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装 袋的（厚度约为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。
• 正是这种简单方法制备出来的简单物质— —石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错 误认识——任何二维晶体不能在有限的温 度下稳定存在。
石墨烯的制备：
微机械剥离法
石
碳纳米管横向切割法
墨
烯
微波法
的
电弧放电法
制
备
光照还原法
方
外延生长法
法
石墨氧化还原法 电化学还原法 溶剂热法
液相剥离石墨法 碳化硅裂解法
大面积石墨烯的制备—CVD法：
结 晶粒尺寸较小, 层数不均一且难以控制, 晶界处存 在较厚的石墨烯, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大,
论 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱
在Ni膜上的SEM照片
不同层数的TEM照片
转移到二氧化硅/硅 上的光学照片
实验室制备方法
石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成 羟基、环氧基和羧基。一方面，含氧基团为亲水性，它们的引入 改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性 增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面， 含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石 墨层间的团聚现象。
石墨烯材料的优缺点
【导读】近来，除了因获得诺贝尔奖的屠呦呦老师而让大家熟知的青 蒿素之外，还有一样渐渐走红的神秘物质——石墨烯引起了大家的注 意。但新闻宣传中一直都在说着石墨烯的神奇之处，鲜有提到石墨烯 的缺点，今天大家一起来探秘石墨烯的优缺点吧！
石墨烯，实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚 度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。碳原子 之间相互连接成六角网格铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一 起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。它，看起来颇有未来神奇材料 的风范。虽然名字里带有石墨二字，但它既不依赖石墨储量也完全不是 石墨的特性。
• 石墨烯，还有什么令人期待的?11月20日，工信部、国家发改委和科技部联 合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。《意见》提出，未 来，石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施，以及新能源、新能 源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。而石墨烯薄膜、石墨烯 功能纤维的穿戴产品的开发，也让这一新材料更好地服务民生。
•
•
•
优点四：比橡胶柔软
石墨烯的发现者、2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈•海姆这样描述 石墨烯：可以被无限拉伸，弯曲到很大角度不断裂。不仅如此。1克重的石 墨烯展开后面积为2630平方米!这么大的比表面积(物理用词：1克固体拥有 的总表面积)使其拥有超强的吸附性。
• 优点甚多，石墨烯的未来似乎“烯”望无限。随着科研发展，石墨烯已经 渐渐走出实验室，开始走入百姓生活。不久前在2015中国国际石墨烯创新 大会上，石墨烯理疗、保暖产品、 LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯 防弹材料等20余种石墨烯产品全新推出。在石墨烯的诸多应用中，最受普 通大众关注和期待的，是它改变手机等电子设备产品功能的可能性。看来， 你梦寐以求的那款透明薄片可折叠手机将不再只是个梦。
世界上最坚硬的物质是什么？
世界上最坚硬的物质是什么？一、金刚石金刚石是世界上最坚硬的物质之一。
金刚石的硬度是10级，是莫氏硬度尺度中最高的。
金刚石的硬度主要归功于其特殊的晶体结构。
金刚石由碳原子组成，每个碳原子都与其他四个碳原子形成四面体结构，这使得金刚石具有非常强的共价键。
这些共价键使金刚石具有非常高的硬度和强度。
金刚石可以用于加工其他材料，包括金属、玻璃和陶瓷等。
二、石墨烯石墨烯是一种新型碳材料，也是世界上最坚硬的物质之一。
石墨烯的硬度比钢铁高100倍以上，比钻石高200倍以上。
石墨烯的硬度主要归功于其独特的二维结构。
石墨烯是由一个碳原子层组成的，这种层状结构使得石墨烯具有非常高的强度和硬度。
石墨烯还具有很高的导电性和热导率，因此被广泛应用于电子器件等领域。
三、细小晶粒的陶瓷材料细小晶粒的陶瓷材料也被认为是世界上最坚硬的物质之一。
传统的陶瓷材料由于晶粒较大，容易发生晶界滑动和断裂。
而细小晶粒的陶瓷材料，由于其晶粒尺寸小，晶界的位移活动难度增大，使得该材料的硬度和强度得到显著提高。
细小晶粒的陶瓷材料可以用于制造高硬度的刀具和陶瓷复合材料等。
四、碳纳米管碳纳米管也是世界上最坚硬的物质之一。
碳纳米管是由碳原子形成的管状结构，具有非常高的硬度和强度。
碳纳米管的硬度主要取决于其内部结构和键强度。
由于碳纳米管具有非常尖锐的尖端，可以用于制造纳米尖顶探针和扫描隧道显微镜，用于研究和观察材料的表面形貌。
五、纳米结构金属材料纳米结构金属材料也被认为是世界上较为坚硬的物质之一。
纳米结构金属材料的晶粒尺寸小于100纳米，具有非常高的塑性和强度。
纳米结构金属材料的硬度主要由于晶粒边界的位错和晶粒的尺寸效应。
纳米结构金属材料可以用于制造高硬度和高强度的零部件和结构。
综上所述，金刚石、石墨烯、细小晶粒的陶瓷材料、碳纳米管和纳米结构金属材料都被认为是世界上最坚硬的物质之一。
这些材料的硬度和强度主要取决于其晶体结构和微观特性。
对于不同的应用需求，选择合适的坚硬材料可以提高产品的耐磨性和使用寿命。
石墨烯的结构与性能.
大面积石墨烯的制备—CVD法
原 理 将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表 面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.
生长条件
生长机体 碳源
气压
烃类气体
甲烷( CH4) 乙烯( C2H4) 乙炔( C2H2)
镍膜 铜箔
载气 温度
பைடு நூலகம்面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
石墨烯性能简介
• • • • 光学性能 电学性能 力学性能 热学性能
光学性能
• 石墨烯具有优异的光 学性能。 • 理论和实验结果表明 ，单层石墨烯吸收 2.3%的可见光，即透 过率为97.7%。 • 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
电学性能
• 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献 剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可 以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 • 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁 移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子 迁移率的140倍，其电导率可达104S/m， 是室温下导电性最佳的材料。
电学性能 • 石墨烯的导电性可通过化学改性的 方法进行控制，并可同时获得各种 基于石墨烯的衍生物。 • 双层石墨烯在一定条件下还可呈现 出绝缘性。
力学性能 • 石墨烯是已知材料中强度和硬度最 高的晶体结构。 • 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。 • 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
得到单层或少层 较理想石墨烯，但难 实现大面积制备、能 耗高、不利转移
外延法
单层,生长连续、 均匀、大面积
碳化硅外延法
金属外延法
原理
SiC加热 蒸掉Si, C重构生 成石墨烯
石墨烯PPT课件
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强 度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。 之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨 烯施加压力，以测试它们的承受能力。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
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。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜加热 NhomakorabeaSiC法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上 分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理 得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用 俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热 使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形 成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控 地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制 备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯——一种划时代的新材料
4.低成本石墨烯锂电池
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，美国研究人员开发出一种新型蓄电池，可以将充电时间从过去的数小时缩短到不到一分钟。
新型石墨烯锂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。电池技术正处在铅酸电池和传统锂电池的发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功，将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。
5. 全球最小光学调制器
据2011年的报道，美国华裔科学家张翔的研究团队使用石墨烯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。这项研究的突破点就在于，石墨烯是世界上最薄却最坚硬的纳米材料，只有用它才能做成一个高速、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。
据 2012年1月报道，江南石墨烯研究院对外发布，首款手机用石墨烯电容触摸屏已在常州研制成功。
又有报道，中科院重庆研究院已经成功制备出 7英寸的石墨烯触摸屏。
值得一提的是,石墨烯具备很好的柔性,也即是说,用它制作的屏幕在一定程度上可以弯曲折叠,不会造成损坏。
3.用于基因电子测序
这项技术初期将会率先被应用在监视器与卫星影像领域。但它终将会被应用在一般的数码相机、摄影机上。而且，他们承诺，假若真的进入消费领域，这个以石墨烯打造的最新感光元件，还可让制造成本压到现今的15%低。不难想像，石墨烯将对摄影带来新的技术冲击——更高感度、更省电、更便宜。
13.是一种优良的改性剂
2004年10月22日_发现石墨烯
科学家时常找出巧妙的方法 来达成他们的研究目标， 即使那目 标是许多物理学家都认定长不出 来的名符其实之二维物质。 2003 年， 一位足智多谋的物理学家拿一 块石墨和一些透明胶带， 以无比的 耐心与坚持， 制造出一种神奇的奇 特新物质，它是纸质的百万倍薄， 比钻石坚固，传导性胜过铜， 我们 叫它石墨烯。 当有关石墨烯的第一 篇论文于第二年发表出来时， 它震 惊了物理界。 最先和同事诺沃肖洛夫
・
碎裂。 研究者说，鲨鱼与人类在进食方式上存在很大 差异， 尖吻鲭鲨撕 扯猎物身上的肉、 虎鲨是切割啃咬， 而人类则依靠餐 刀。 因此人类与鲨 鱼牙齿的区别不 是在硬度上， 而是 最初的设计用途 就不同。 （ 高 凌 云 编 译 自 ）
现代物理知识
2012
年
8
月
2
（ Kostya Novoselov）一起发现石 墨烯的是盖姆（ Andre Geim） 。盖 姆先就读于莫斯科物理科技大学， 再于俄罗斯莫斯科东北切尔诺戈洛夫卡 （ Chernogolovka）的固态物理学院获得博士学位。 他花了两年在俄罗斯微电子科技学院，之后在英国 诺丁汉大学 （ Nottingham University） 任研究员。 1994 年， 他接受荷兰奈梅亨大学 （ University of Nijmegen） 的教职，2001 年，搬回英国曼彻斯特大学，成为介 观科学和纳米技术中心主任。 盖姆擅长寻找古怪但有重要性的研究题目，他 于 1997 年使用磁场让一只青蛙漂浮升空， 登上报纸 头版头条，于 2000 年获得搞笑诺贝尔奖。他曾和他 钟爱的仓鼠（ hamster）共同发表一篇论文《探测地 球自转的反磁性悬浮回转仪》 ， 坚持说： “ H. A. M. S. ter Tisha 对悬浮实验有最直接的贡献。 ” （根据维基 百科全书，那只仓鼠后来还申请了荷兰奈梅亨大学 的博士学位。 ） 2007 年，他的实验室开发出一种仿 照壁虎黏性脚垫的微制造黏着剂。
“材料之王” 石墨烯
“材料之王”石墨烯
一、什么是石墨烯？
它是一种以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。
二、何时发现？
2004年，安德烈·海姆和另外一名科学家用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并发现其一些特性，二人因此获得2010年诺贝尔物理学奖。
三、有何用途？
以石墨烯粉末(体)为原料的产品，如功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料等，部分已初步实现产业化。
比如，护腰、护膝等使用石墨烯材料的康复产品，以及初步使用石墨烯材料的动力电池、超级电容器等。
以石墨烯动力电池为例，因为使用了石墨烯复合电极材料与石墨烯导电添加剂，能显著提升动力锂电池的能量密度、功率密度与寿命，在一定程度上解决了电动汽车续航里程短的瓶颈问题。
石墨烯在新能源、电子信息、功能材料、节能环保、航空航天等领域有着巨大的应用潜力。
有望成为引领新一代工业技术革命和主导未来高技术竞争的战略性前沿新材料。
四、研发主力？
目前，全球石墨烯研发、生产综合实力最强的是美国、日本和中国。
一些跨国公司成为研发石墨烯的主力，IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷
将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向。
五、存在问题？
我国的石墨烯技术和产业发展目前依然存在许多问题。
比如有企业以石墨烯为噱头大肆炒作概念，诸如出现“用了石墨烯材料，可以让动力电池续航里程达到1000公里”这样的广告词。
从目前的技术来看，还实现不了。
同时面临商业炒作多技术突破少、产业低端化倾向明显、成本高推广难等诸多难题。
石墨烯的缺点和危害
石墨烯的缺点和危害
优点一：比纸张薄，2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈海姆和克斯特亚诺沃消洛夫发现，他们能用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，他们得到了仅有一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
优点二：比钻石硬，虽然很薄，但石墨烯却是非常强韧的材料。
通俗地讲，它强过钻石，秒杀”钢铁。
同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
优点三：比铜导电性好，而因为只有一层原子，电子的运动被限制在一一个平面上，为它带来了全新的电学属性。
“石墨烯电阻率极低，电子能在其中极为高效地移动，这使得石墨烯有非常好的导电性。
缺点一：环境污染风险，近年来有研究发现，如果人类偶然摄入了石墨烯，石墨烯会切开人体细胞并破坏其内容物。
也就是说，它可能是有毒的。
缺点二：技术困惑，作为工业技术，石墨烯看起来还有一些未能克服的困难。
研究人员指出，目前石墨烯的应用还是受限于材料生产，价格较贵，所以那些使用最低级最廉价的石墨烯产品，会最先面世，可能只需要几年。
但是那些依赖于高纯度的石墨烯产品可能还要数十年才能开发出来。
石墨烯-PPT
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 ………………
实现人类梦想
Dreams： 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， 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， 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， 23000英里长伸入太空的电梯 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。 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 美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金 400 鼓励科学家们进行这种电梯的开发
二、石墨烯材料的制备
1、机械剥离法 通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。 加热SiC SiC法 2、加热SiC法 通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger 等人已经能可控地制备出单层. 或是多层石墨烯 。据预测这种方法很可能是 未来大量制备石墨烯的主要方法之一。 3、热膨胀法 4、化学法
三、石墨烯材料的性质
1、力学性质——比钻石还要硬 力学性质——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， 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 纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9 100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 据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的 55 压力才能使1米长的石墨烯断裂。 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100 100纳 取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳 石墨烯， 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， 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。 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， 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， 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。 样厚度的单层石墨烯。
基于石墨烯的防弹材料比钻石更坚硬
及 面外介 电常 数相 关 ； 随后 ， 利 用散 射型 扫描 近场 光学 显微 镜 （ Ｓ —ＳＮＯＭ ） 在 范德 华纳 米 片 中激 发ＴＥ、 ＴＭ波导模 式 ， 并对其 进行 实 空间近 场光 学成 像 ； 最
后， 通过 对实 空 间近场 光学 图像 的傅 里叶分 析 ， 求得 所测 范德 华 晶体的 光学各
向异 性 。 以上 方法 克服 了传 统表 征手段 对样 品尺 寸 的限制 ， 能够对 单轴 及双 轴 范 德华 晶 体材 料 的光学 各 向异 性 进行 精 准地 表征 。 通过 对基 底 材料 的 优化 设 计， 该方 法 同样适 用于少 层甚 至单层范 德华 晶体光学各 向异性 的直接表 征 。 （ 中
及 非寻常 波导 （ ＴＭ ） 模式， 且这 ２ 种模 式 的面 内波 矢分 别与 范德 华 晶体 的面 内
组成 。 它被 形容 为像铝 箔一 样轻 便灵 活—— 就 其正 常状态 而 言。 当在 室温
下施 加 突然 的机 械压力 时 ， 它暂 时变
得 比块状 钻石更坚硬 。 这 种 新 材 料 是 由纽 约 市立 大学 副教授Ａｎ ｇ ｅ ｌ ｏ Ｂ ｏ ｎ ｇ ｉ ｏ ｍｏ 设想 的 ， 他 开 发 的 计算 机 模 型表 明这 种 材料 应
同结 构。
国外科学家基于石墨烯和量子点造太阳能 电池
据报道 ， 俄 罗斯大 学和 日本法政大 学学 者组成 的一个 国际小组 开始启 动在 石 墨烯和量子点基础 上制造混合平 面结 构的工作 。
石 墨烯拥有 极高 的导 电能力 ， 使 它成为 毫微 电子学所 需要 的非常 富有 前景
的材 料 。 莫斯 科物 理工程 学 院纳 米生物 工程 实验 室学 者伊 戈尔 ・ 纳 比耶 夫说 ： “ 我们将开展 科研 工作 ， 让人 了解如何 提高现有 太 阳能 电池 的效率 ， 最 终研 发 出 比现在效率 更高的太 阳能 电池样 品。 ” 项 目完成 后将获得 新一 代高效 系统样 品 ， 在 把太 阳光转化 为 电能方 面极 富 竞 争力 。 纳 比耶 夫认为 ： “ 新 系统 的效 率将提 高几个 百分点 ， 有 望给可 再生能 源 领域带 来现实突破 。 ” （ 科技 日报 ）
华裔科学家发现“最高强度物质”
穿刺 ， 以测试它们 的强 度 。 让 科学家震 惊 的是 ， 石 墨烯 可 能
比钻 石 还 坚硬 ， 它 的强度 比世 界上 最 好 的钢 铁还 高 10 0 倍 。
美 国机械工 程师杰 弗雷 基 萨 教授用一 种形 象的方法解释
了石 墨烯 的强度 ： 如 果将一 张和 食 品保鲜膜一 样薄 的石 墨烯
薄 片覆 盖 在 一 只 杯 子 上 ， 然 后 试 图用 一 支 铅 笔 戳 穿 它 ， 那 么
需要一 头大象站 在铅 笔上 ， 才能戳 穿只 有保鲜膜厚度 的石 墨
烯薄层 。
可 用 来制造 “ 太空 缆线 ”
据科学家称 ， 地 球上 很容易找到石 墨 原料 ， 而 石 墨烯堪
称 是人类 已知 的强度最 高的物质 。 它拥有很 多发展前景 ， 不
仅可 以开 发制造 出纸 片般薄 的超轻型 飞机材料 、 超坚 韧 的防
弹 衣 ， 甚至 还 为 “ 太 空 电梯 ” 缆线 的制造打 开 一 扇 “ 阿 里 巴
巴 ” 之 门。
Байду номын сангаас
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2 ．
3, Z ~ 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 。
据 科 学 家 称 ， 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
1 2 5 0 K G ， 4 ． OM／S ， 观 光 电 梯 ， 1 0 0 0 KG
比石墨烯更强的材料它比钻石强大约40倍！你知道是什么吗？
比石墨烯更强的材料它比钻石强大约40倍！你知道是什么吗？碳本身是一个非常方便的元素，科学家已经做出了许多不同类型的碳的同素异形体，它们具有不同但非常有用的功能。
一个很好的例子是奇迹物质'石墨烯'，这是一个游戏规则。
仍然有很多同位素尚未被制造的非常有用的碳。
但即使发生了很多事情，仍然有一种神秘的碳称为carbyne，即使经过50年的不同研究人员的学习，它还没有被合成。
Carbyne被假设是世界上最强的材料，它比钻石强大约40倍！这个的主要原因是，carbyne是非常不稳定的事实。
发现一维碳链的德国化学家Adolf Von Baeyer说，carbyne是难以捉摸的，因为它的高反应性总会导致其立即被破坏。
Carbyne据说具有超过所有已知材料的机械性能，至少这是什么假设是。
它被认为是石墨烯的两倍，比钻石强40倍。
它还将具有比人们已知的任何其它碳材料更大的拉伸强度。
难怪研究人员一直试图挖掘这些伟大的属性，现在一个国际科学家团队已经找到了一种方法，将有助于carbyne的大规模生产。
团队做了什么？他们把两层石墨烯压在一起;然后将它们卷成薄的双壁碳纳米管。
在这个过程之后，它们围绕原子包裹管，并且这些纳米管用作保护carbyne链不被立即破坏的手段。
团队的研究发表在自然材料杂志上，可以在那里详细阅读。
这种新的链条也打破了单个连续链中最多数量的碳原子的记录。
以前的记录是100个原子，现在它是一个惊人的6,400原子使用这项研究的新研究，这个链是相当稳定。
另一个好处是，carbyne的电气性能随着链条长度的增加而增加，这表明研究人员将能够在未来对材料进行更多的实验。
图片：雷石/维也纳大学物理系在carbyne有很多的潜力，你可以称之为“新奇迹材料”。
carbyne将带给我们在未来很多想象，直到那时让我们知道更多关于这个神奇材料。
双层石墨烯比钻石还坚硬!
双层石墨烯比钻石还坚硬！
12月18日，《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）在线发表了纽约市立大学研究人员的最新研究成果：两层石墨烯的新防弹材料可以比钻石还坚硬，像铝箔轻便灵活。
该论文题为“Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene”。
大部分防弹衣往往是厚重的，不过如果纽约市立大学进行的研究取得成果，情况可能可以改变。
在Elisa Riedo教授的领导下，科学家们已经确定，基于两层石墨烯的防弹材料可以比钻石还坚硬。
石墨烯是由碳原子以蜂巢的形式连接在一起的，是只有一个原子层厚度的准二维材料。
石墨烯被认为是世界上最强的材料。
这种被称为diamene的新材料是由碳化硅基板上的两个石墨烯片组成。
它被形容为像铝箔一样轻便灵活- 就其正常状态而言。
当在室温下施加突然。
钻石和石墨烯很硬吗？这种物质轻松将它们压成粉末
钻石和石墨烯很硬吗？这种物质轻松将它们压成粉末文/姿势分子世界上最硬的东西是什么？你是不是以为是钻石？的确，钻石一度占据了硬度排行榜第一名很久。
不过，随着科技的发展，人类发现了越来越多的更硬的物质。
石墨烯，成为了超越钻石的存在。
石墨烯的微观结构，是碳以六个键的形式相互连接成的蜂巢结构，其韧度很强。
据测试，石墨烯的断裂强度，比最好的钢材还要强200倍！不过，最近科学家发现，石墨烯充其量只是地球上最硬的物体。
放到宇宙里，石墨烯也不过只是个渣渣。
新发现的这种物质，其实对人类来说并没有那么新鲜，人类早就知道它的存在。
它，就是中子星。
中子星，是中等质量恒星死亡后留下的尸体。
中子星密度极大，1立方厘米的中子星，重量可以达到1亿吨以上，甚至可能达到10亿吨。
如果把太阳缩小到中子星的密度，它的直径将只有10公里。
可以想象，这么密集的物体，将会有多么坚硬！在中子星的内部，根据中子被挤压的方向不同，也有各种不同的结构。
有科学家根据它们不同的微观结构，用意大利团子、意大利细面条等各种面条名称给它们做了形象的命名。
很显然，这个科学家是个吃货。
根据计算机模拟，中子星内最硬的一种物质，叫做核通心粉。
它的硬度达到了钢铁的100亿倍，无论地球上的任何物质，都完全无法与它抗衡！科学家表示：核通心粉对于人类来说具有非常重要的意义。
如果能够加以应用，必将在未来发挥极大的作用。
小编只是很好奇，假如我们真的可以去中子星开采这种物质，我们应该如何切割呢……（人山人海，相遇不易。
创作艰辛，如果您觉得小编这篇文章还可以，请点击关注，是对我最大的鼓励。
快陪我一起探索有趣的科学世界吧~）。
世界十大超强材料
世界十大超强材料1.钻石（金刚石）金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质。
金刚石摩氏硬度为10，绝对硬度是刚玉的4倍，石英的8倍。
人工合成金刚石的方法主要有两种，高温高压法及化学气相沉积法。
金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具，也是贵重宝石。
2.石墨烯石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的，只有一层原子的二维材料。
石墨烯断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
作为超薄、超强、导电导热性能优良的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
3.碳炔碳炔是碳原子聚集在一起形成的链，这些碳原子通过双键或者交替的单键和三键连接在一起。
碳炔被认为是世界上最强韧的材料，强度超过钻石40倍，是石墨烯强度的两倍。
碳炔在未来超高强度设备的发展中将有很重要的用途。
4.碳纳米管碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。
碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。
碳纳米管因而被称“超级纤维”。
近些年，随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。
5.硼烯硼烯与石墨烯中的碳一样具有相同的六边形晶格排列，但在每个六边形中心还另有一个硼原子。
硼烯在某个方向上比石墨烯的强度还要高。
如此优越的力学性质，加上特殊的电学性质和热学性质，硼烯的应用前景将十分宽广。
硼烯因其优越的电学、力学、热学属性，被科学界寄予厚望，或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”。
6.气凝胶气凝胶，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。
目前最轻的硅气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米，比空气密度略低，所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。