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比钢更强,比纸更薄,可能是科技的未来!


比钢更强,比纸更薄,可能是科技的未来!


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一种新材料有可能改变未来。被称为“超级材料”的石墨烯让世界各地的研究人员争先恐后地更好地理解它。该材料的一长串最高级特质使它看起来几乎是神奇的,但它可能对物理和工程的未来产生非常真实和激烈的影响。


什么是石墨烯?


描述石墨烯的最简单方法是它是一层薄薄的石墨 - 铅笔芯中使用的柔软片状材料。石墨是元素碳的同素异形体,意味着它具有相同的原子,但它们以不同的方式排列,赋予材料不同的性质。例如,钻石和石墨都是碳的形式,但它们具有截然不同的性质。钻石非常坚固,而石墨则很脆。石墨烯的原子排列成六边形排列。


有趣的是,当石墨烯与石墨分离时,它具有一些神奇的特性。它只有一个原子厚度,是迄今发现的第一个二维材料。尽管如此,石墨烯也是已知宇宙中最强的材料之一。拉伸强度为130GPa(gigapascals),比钢强100多倍。


尽管如此薄,但石墨烯的强度令人难以置信,已经足以令人惊叹,但其独特的性能并不止于此。它还具有柔韧性,透明性,高导电性,并且对大多数气体和液体来说似乎是不可渗透的。几乎看起来似乎没有石墨烯不优于的区域。


石墨烯的应用


太阳能电池/光伏发电


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石墨烯具有高导电性和透明性。因此,它作为太阳能电池中的材料具有很大的潜力。通常,太阳能电池使用硅,当光子撞击材料时会产生电荷,从而使自由电子松动。硅每个光子只能释放一个电子。研究表明,石墨烯可以为每个撞击它的光子释放多个电子。因此,石墨烯在转换太阳能方面可能要好得多,预计效率为60%,而目前的硅电池能够提供大约25%的效率。


半导体


由于其高导电性,石墨烯可用于半导体中以大大提高信息传播的速度。最近,能源部进行的测试表明,当半导体聚合物放置在石墨烯层上而不是硅层时,导电性能要快得多。即使聚合物较厚,这也适用。当放置在石墨烯层顶部时,50纳米厚的聚合物比10纳米的聚合物层更好地进行电荷。面对先前的智慧,这种观点认为聚合物越薄,它就能越好地传导电荷。


水过滤


石墨烯的紧密原子键使其几乎对所有气体和液体都不可渗透。奇怪的是,水分子是一个例外。因为水可以通过石墨烯蒸发,而大多数其他气体和液体不能,石墨烯可能是过滤的特殊工具。曼彻斯特大学的研究人员用酒精测试了石墨烯的渗透性,并且能够提取非常强烈的烈酒样品,因为只有样品中的水能够通过石墨烯。


由于人口过剩仍然是世界上最紧迫的环境问题之一,保持清洁水供应只会变得更加重要。事实上,水资源短缺困扰着全球超过10亿人口,这一数字只会在目前的趋势下继续上升。石墨烯过滤器具有改善水净化的巨大潜力,增加了可用的淡水量。事实上,洛克希德·马丁公司最近开发了一种名为“Perforene”的石墨烯过滤器,该公司称其可以彻底改变海水淡化过程。


石墨烯研究的未来


鉴于石墨烯看似无穷无尽的优势,人们可以期待在任何地方看到它。那么,为什么没有广泛采用石墨烯呢?与大多数事情一样,它归结为金钱。石墨烯的大量生产仍然非常昂贵,限制了它在任何需要大规模生产的产品中的使用。此外,当生产大片石墨烯时,材料中出现微小裂缝和其他瑕疵的风险增加。无论科学发现多么令人难以置信,经济学总是会决定成功。


抛开生产问题,石墨烯研究绝不会放缓。世界各地的研究实验室 - 包括首次发现石墨烯的曼彻斯特大学 - 正在不断申请创造和使用石墨烯的新方法的专利。欧盟于2013年批准为一项旗舰计划提供资金,该计划将资助用于电子产品的石墨烯研究。也许更重要的是,亚洲许多主要的科技公司正在对包括三星在内的石墨烯进行研究。由于欧盟试图在亚洲爆炸性经济增长的情况下稳步站稳脚跟,石墨烯可能成为未来几年国际政治中的重要战场。同样,帝国经常根据他们对资源的控制而起伏不定。


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尽管目前存在局限性,但研究人员正在尝试各种石墨烯用途,从灯泡到防弹衣。


革命不会在一夜之间发生。硅是在19世纪中叶发现的,但是近半个世纪以来,硅半导体为计算机的兴起铺平了道路。石墨烯可能具有几乎神话般的品质,是推动人类历史下一个时代的资源吗?只有时间会给出答案。





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