超级材料石墨烯用独特的方式改变人类未来生活及世界对它的认知

罗宋汤的味道 2019-10-13

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石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯可能是世界上最有用的材料之一。虽然它只有一个碳原子厚，但它比钢强许多倍，并且高度灵活。

自2004年首次被研究人员孤立以来，涉及石墨烯的专利清单每年都呈指数级增长。可能不久之后，这种超级材料催生了一场真正改变世界的技术革命。

以下是几个在不久的将来期待的深刻的石墨烯发明。

1.来自空气的燃料

同样获得诺贝尔石墨烯隔离奖的研究人员，曼彻斯特大学的Andre Geim及其同事已经证明，石墨烯可以用来制造由空气中提取的氢气驱动的移动式发电机。Geim的团队发现，尽管石墨烯即使是最小的原子也是不可渗透的，但它可用于筛选剥离其电子的氢原子。

这意味着石墨烯薄膜可用于极大地提高质子传导膜的效率，质子传导膜是燃料电池技术的重要组成部分。Geim设想了一个未来，在这个未来中，车辆只能通过环境空气中的少量氢气来提供动力。“从本质上讲，你从大气中抽出燃料并从中获取电力，”Geim说。

2.防蚊虫

埃及伊蚊可能是致命的，但石墨烯似乎有一些保护的承诺。

与燃料电池相同的不可渗透性提高了石墨烯的其他潜在用途，包括防止蚊子叮咬。在这个应用程序中，研究人员找到了阻止这些致命昆虫的两种途径。

布朗大学的研究人员发现，石墨烯层可以阻止蚊子感知皮肤或汗液相关化学物质的能力，提供了处理它们的不寻常的非化学方法的潜力。最重要的是，这些层提供了蚊子根本无法咬住的物理屏障。他们的工作发表在美国国家科学院院刊上，最初专注于机械解决方案，但很快发现了石墨烯的其他秘密能力。

“有了石墨烯，蚊子甚至没有落在皮肤上 - 它们似乎并不在意，”Cintia Castillho博士说。布朗大学和该研究的主要作者布朗大学新闻发布会上说。“我们已经假设石墨烯是通过抗穿刺性进行叮咬的物理屏障，但是当我们看到这些实验时，我们开始认为它也是一种化学屏障，可以防止蚊子感觉到有人在那里。”

下一步是研究创建一种石墨烯屏障的版本，该图案在潮湿时与干燥时一样有效，因为当蚊子湿润时，蚊子能够将它们的束状物或喂食装置穿过织物。

3.更多可用的饮用水

石墨烯可以帮助解决世界水危机。由石墨烯制成的膜可以大到足以让水通过，但是小到足以过滤掉盐。换句话说，石墨烯可以彻底改变海水淡化技术。麻省理工学院的研究人员发现“这种材料的透水性比传统的反渗透膜高几个数量级，纳米多孔石墨烯可能对水净化有重要作用。”

事实上，一种石墨烯已被证明在水过滤方面非常有效，它使得悉尼港的水样在通过过滤器后只能安全饮用一次。在Nature Communications上发表的一项研究中，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的研究人员使用一种称为“Graphair”的石墨烯，使海水在单次处理后可以饮用。

“这项技术可以创造出干净的饮用水，无论它有多脏，只需一步，”CSIRO科学家Dong Han Seo在一份声明中说。“所需要的只是热量，我们的石墨烯，膜过滤器和小型水泵。我们希望明年在发展中国家社区开展现场试验。”

2019年在材料科学与工程C上发表的其他研究使这一概念更进了一步，使得对氯化的需求过时了。据Eureka Alert报道，俄罗斯国立科技大学（MISiS）和其他科学家表示，将氧化石墨烯注入含有大肠杆菌的溶液中，石墨烯通过形成薄片“捕获”细菌。一旦将薄片从溶液中捞出，水就可以饮用，石墨烯甚至可以重复使用。

4.电子产品

由碳原子构成的六边形石墨烯晶格

忘记硅谷; 未来可能会停留在石墨烯谷。今天，我们的电子设备依靠硅作为关键部件，但是由硅制成的晶体管接近其有效的最小尺寸，这意味着我们的设备的速度将很快降至最低点。然而，石墨烯的超薄性质可能是这个问题的答案。石墨烯可能不久就会取代我们的电子设备中的硅，使它们比以前更快。

石墨烯还可以构建超薄，灵活的触摸屏，几乎不会破碎。您永远不必担心再次破坏您的智能手机。

2018年，麻省理工学院（MIT）和哈佛大学的研究人员透露，石墨烯可以具有更令人惊讶的电子特性。它可以调整为在两个极端电极下工作：作为绝缘体或超导体。换句话说，相同的材料可以阻挡电子流动或者在没有电阻的情况下传导电流。

“我们现在可以使用石墨烯作为研究非常规超导性的新平台，”麻省理工学院物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero在一份声明中说。“人们还可以想象用石墨烯制造超导晶体管，你可以开关，从超导到绝缘。这为量子器件开辟了许多可能性。”

5.捕食者的愿景

石墨烯已经显示出热红外光电探测器的前景。

经典的科幻动作片“捕食者”以外星刺客为特色，能够通过热红外线看世界。现在，多亏石墨烯，你可能会有“捕食者”的视野。密歇根大学的研究人员开发出一种石墨烯隐形眼镜，可以让佩戴者感知整个红外光谱 - 加上可见光和紫外光。

“如果我们将它与隐形眼镜或其他可穿戴电子产品结合在一起，它会扩大您的视野，”开发该技术的研究人员之一赵朝晖说。“它为您提供了另一种与您的环境互动的方式。”

6.更好的安全套

石墨烯甚至可以改善你的性生活。由石墨烯制成的避孕套可以超薄，这意味着更多的感觉。它们也会超强，这意味着它们不太可能破裂 - 对任何安全套的真正考验。

“如果这个项目成功，我们可能会使用石墨烯，它将以最亲密的方式触及我们的日常生活，”2013年石墨烯安全套领域研究材料科学家Aravind Vijayaraghavan说。

对石墨烯安全套的追求比一些倡导者预期的要慢，但它仍在继续。比尔和梅林达盖茨基金会在2013年资助石墨烯避孕套的研究时出现了波澜，虽然这种努力有所减少，但它已经显示出足够的承诺来获得额外的资金。与此同时，至少有一家公司采用“ 石墨烯启发的避孕套” 加入了潮流，实际上并没有使用石墨烯，而是借用了六边形结构。

7.一个没有生锈的世界

与某些现有方法相比，石墨烯可提供低毒性的防锈选择。

由于石墨烯实际上是不可渗透的，因此有一天可以使用一层石墨烯基涂料来消除腐蚀和生锈。研究人员甚至表明，用石墨烯涂料覆盖的玻璃器皿或铜板可用作强腐蚀性酸的容器。

“石墨烯涂料很有可能成为一个真正具有革命性的产品，用于处理空气，天气元素或腐蚀性化学品的任何保护的行业，”开发该技术的研究人员之一Rahul Nair说。例如，医疗，电子和核工业甚至造船业，仅举几例。“

8.发光壁纸

由于新的基于石墨烯的电极技术的发展使得显示器比以前更薄，因此发光的墙壁可以很快取代灯泡。与灯泡相比，这种发光的“壁纸”在房间内提供更舒适，可调节的光线，并且还可以使其更加节能。而且，让我们面对现实，似乎没有什么比照亮“Tron”般的墙壁更具未来感。

“通过使用石墨烯代替传统的金属电极，未来的组件将更容易回收，从而具有环境吸引力，”林雪平大学的纳撒尼尔罗宾逊说，该技术正在开发中。

9.仿生人

如果您已经感觉与您的技术过度集成，那么您还没有看到任何东西。石墨烯研究现在正在进行电子学可以与您的生物系统整合的实验。基本上，可能很快就可以植入石墨烯小工具，可以读取您的神经系统或与您的细胞交谈。

这可以带来医学科学的突破，帮助医生监测您的身体，甚至调整您的生物系统以获得最佳健康状况。该技术还可以帮助健身狂热者追踪和监控他们的锻炼方案。

10.更好，更安全的染发剂

这张照片显示了在石墨烯基颜料染色之前（左）和之后（右）的金色毛发，其结构模型也在右边。

这可能不会像其他一些应用那样改变世界，但石墨烯也有望作为有毒染发剂的更安全的替代品。在2018年的一项研究中，来自西北大学的研究人员报告说，石墨烯不仅可以匹配永久性染发剂的性能，而且可以在没有任何有机溶剂或有毒分子成分的情况下实现。最重要的是，它可以为头发提供增强的抗菌，抗静电和散热性能。

研究人员将氧化石墨烯凝胶喷在金色的人发上，让它干燥10分钟。将这些头发涂在仅2微米厚的石墨烯薄膜上，据报道即使在30次洗涤后也留在原位。该研究的作者说，抗静电性能可以提供进一步的美学效果，涂层不会对头发或健康造成伤害。

“这是一个受到好奇心启发的想法。做起来非常有趣，但当我们开始研究它时听起来并不那么大和高贵，”西北大学材料科学家，资深作家黄嘉兴说。声明。“但是在我们深入研究染发剂后，我们意识到，哇，这实际上并不是一个小问题。石墨烯真的可以帮助解决这个问题。”

11.防弹盔甲

鉴于石墨烯的薄和强度，它似乎也不可避免地应用于制造改进的防弹背心。果然，研究人员发现石墨烯片的吸收力是凯夫拉尔的两倍，后者是防弹背心中常用的材料。同样是对Kevlar的改进，石墨烯超轻，因此对磨损的限制较少。这一突破可以帮助我们的士兵和执法人员在被解雇时保持安全。石墨烯的薄薄特性甚至可以导致其他防弹表面的发展，例如窗户。