|
仅仅靠撕胶带也能产生诺贝尔奖？二维材料真的存在？石墨烯到底是科技还是科幻？今天我们就来聊聊石墨烯. 石墨烯是什么说到石墨烯，相信很多人都不陌生，作为材料界的当红明星，一经推出便反响强烈。这两年，随着石墨烯的逐渐普及，石墨烯电池、石墨烯充电宝、石墨烯发热冲锋衣等一系列打着石墨烯旗号的产品更是数不胜数，在揭开这些产品神秘面纱之前，我们先来介绍一下石墨烯，他究竟为何如此吸引人。 想要了解石墨烯，我们先要讲一下碳单质的结构，碳原子在不同的空间排列下会构成许多不同的物质。这就是我们初中学过的同素异形体。比如我们熟知的钻石就是碳原子组成的四面体结构、再比如碳60，就是60个碳原子形成的类似足球结构的物质。  碳的同素异形体 石墨也是一种碳的同素异形体，我们的铅笔笔芯就是石墨做的。它具有片层状结构，就像这样。它的层内非常牢固，但是层间却很松散，所以经常用于润滑和导电。将石墨的一层取出就是我们所说的石墨烯。所以石墨烯就是由碳原子构成的一种六边形单层网状结构，就像图片中这样。  石墨烯 石墨烯非常薄，一层石墨烯只有头发丝的二十万分之一，而一毫米的石墨大约包含有150万层石墨烯，所以在应用领域10层以下的石墨才被认为是石墨烯，10层以上的都是石墨。 石墨烯的发现过去，科学家认为二维材料在现实生活中是不存在的，但2004年英国曼彻斯特大学的两位教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带分离出石墨烯，具体方就是用胶带粘石墨片，再用新胶带粘残留在胶带上的石墨片，如此反复，大约20次后，就能分离出石墨烯。二人的发现颠覆了人们的认知。因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。  很多人戏称他们是粘胶带获得的诺贝尔奖。确实，有时候想想拿诺奖其实也不难，学历史的德布罗意在写博士论文的时候总结了一下光的波动性和粒子性，杂糅一下提出波粒二象性假说就拿到一个诺贝尔物理学奖。也许有时候我们缺的也许不是知识和技术，而是脑洞和运气吧。记得大学时候有一个化学教授，苦思冥想自己为何得不了诺贝尔奖，于是开始研究玄学，最后发现自己没这个命，于是豁然开朗，开始享受生活，不仅成为玄学大师，还自学厨师证，云游四方，生活十分潇洒。好了扯远了，开开玩笑扯扯淡继续我们的话题。 石墨烯的优点及应用石墨烯的发现彻底刷新了科学家们的认知，这种材料优点非常多，首先因为层内结构十分稳定，所以它的机械强度非常大，是目前已知强度最高的材料之一，甚至是钢铁的200倍。如果将它应用在战斗机上可以大大减轻战斗机的重量，提高机动性。 不仅强度大，石墨烯的韧性和拉伸性能也很好，也许超级英雄弹性大强度高的战服就是用石墨烯制成的，未来我们如果石墨烯制做防弹衣，可能就能实现刀枪不入了。另外石墨烯也可以透光，或许皇帝的新衣就是由石墨烯打造的。  石墨烯应用 除了强度高、拉伸性能好，石墨烯的导电和导热性能也是杠杠的，我们都知道金属的导电性能很好，而石墨烯的导电性能是导电性最好的银的1.6倍。导热性是铜的13倍，是目前已知的导电和导热性最好的材料。把这种材料运用于电子领域，代替硅，就再也不用担心芯片发热，散热的问题了。 石墨烯作为二维材料，十分柔软还可以弯曲，未来手机屏幕就可以用石墨烯制造。可以说，石墨烯就是材料中的学霸，强度、拉伸、导电、导热样样顶尖是传说中的天选之子，也难怪科学家们对它寄予厚望。甚至有些人直接将21世纪称为“石墨烯的时代” 石墨烯制备方法脑洞开了这么多，还是要回到现实，其实我们离石墨烯的应用还有很长一段距离，要了解这个问题我们就不得不说说石墨烯的制造工艺了。 目前，制作石墨烯主要有4种方法，机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法、化学氧化法。听起来不太懂？简单来说机械剥离法就是用胶带反复撕出石墨烯，当年大禹在实验室因为撕不出来还把胶黏在基底上被老师嫌弃了好久。这样的工作十分繁琐复杂，品质虽高，但是产量极少，根本不可能大规模生产。液相剥离法简单说就是把石墨粉冲到搅拌机里不断搅拌，这种方法虽然产量大，但是质量偏低。  石墨烯粉末 以上两种都是物理方法，还有化学方法。化学氧化法是先将石墨氧化成氧化石墨，然后倒入搅拌机搅拌，最后将其还原成石墨烯，这样的产量虽然大，但是质量却很低。大多数制备出的其实都是氧化石墨而非石墨烯，主要用于制备石墨烯粉末。最后化学气相沉积法，简称CVD，这是目前工业制备石墨烯的主流方法，也是最有发展前景的一种方法，通过这种方式生产出来的石墨烯质量还可以，普适性较强，而且可以制备大尺寸的石墨烯薄膜，但是较难转移，一般生产出的都是多晶。 制备方法缺点-大规模生产当然还有很多非主流方法，这里就不一一介绍了，通过这些方法我们不难发现，石墨烯面临无法大规模生产和产品质量无法保证的问题。这是阻碍石墨烯发展的最主要问题。所以各国科学家除了研究石墨烯的具体应用之外，一直在寻找一种能够大规模高效生产石墨烯的方法。假如有一天有人发明出了这种方法，不用我说到时候一定锣鼓喧天鞭炮齐鸣，提前预定诺贝尔奖。但在此之前，大家还是留点心吧。 也正因为石墨烯的制备困难，石墨烯的价格一直很高，高纯度石墨烯的价格甚至远超黄金，都是论克卖的，前几年一些高纯度的石墨烯甚至可以达到5000元一克。金价只有它的十分之一。所以石墨烯也因此被称为黑金。低纯度的石墨烯只要几十元，当前市场上很多石墨烯原材料，大多都是氧化石墨、或者干脆就是石墨。2018年，发现石墨烯的诺奖得主康斯坦丁就发文表示，目前工业生产的石墨烯样品中，石墨烯含量大多低于10%，甚至没有一个样品的石墨烯含量能超过50%，自己品品吧。  石墨烯粉末实际很便宜，但是石墨烯二维材料很贵 市场上的石墨烯骗局石墨烯的价格如此高昂，你想想能廉价应用在我们身边吗？前段时间，中科院院士欧阳明高在电动车论坛上就公开表示：“如果有人告诉你，这车能跑1000公里，几分钟充满电，还安全，成本又低。以目前的技术来讲，他一定是骗子。”此话一出立马让刚刚宣传完充电8分钟，续航2000里，拥有石墨烯超级快充电池的汽车厂商坐不住了，立马改口表示“石墨烯快充电池”和“长续航硅负极电池”是两种电池。  欧阳明高 什么是石墨烯电池，虽然不知道具体构造，但大概率就是往锂电池里加点石墨烯作为导电剂，看看它的电池容量、能量密度、循环寿命等性能有没有提高。这就好比你做了一锅菜加了把味精，再尝尝味道。石墨烯就是这锅菜里的味精。事实上现在很多石墨烯的研究都是这样，往不同的东西里加一点石墨烯，看看有什么效果。不要问我怎么知道的，我的毕业论文就是这么写的，只不过加的不是石墨烯。 所以再看看网上那些石墨烯内裤，石墨烯面膜、石墨烯电热毯像不像我们之前辐射那一集中讲的精镭、镭钍水和镭激素仪？当然这种噱头不只有国内在用，2016年，美国新能源汽车菲斯克汽车提出石墨烯电池，结果汽车没出来，公司先破产被收购了。无独有偶，2018年，三星提出了搭载“石墨烯球”技术的电池，据说能将电池容量提高45%，充电速度提升5倍。之后也不了了之。  只存在于ppt中的菲斯克汽车 我国石墨烯研究现状虽然石墨烯市场有些混乱，但是这丝毫没有减轻人们对石墨烯的热情，世界各国都对石墨烯给予高度重视，想要在技术上抢占先机并引领之后的科技革命。所以各国都卯足了劲地向前冲，形成了一条石墨烯产业。上游为原材料石墨；中游为石墨烯制备；下游为石墨烯的应用。很多发达国家都将目光聚焦于石墨烯应用的研发，我们刚刚讲得很多就是下游石墨烯的应用，只不过他们用歪了。其实也不能怪他们，一项新材料的问世，一定会伴随着很多失败的尝试，最终经得起市场考验的，才是真正有用的。 我国目前是石墨烯研究和应用最为活跃的国家，首先我国是全球最大的石墨生产国，石墨储量位居世界第二，另外我国也是石墨烯制造大国，石墨烯粉年产量可达5000吨；石墨烯膜年产量达650万平方米，领跑全球。最后全球近70%的石墨烯专利都来自中国，可以说我国有一条完整的石墨烯产业链。  中国石墨烯产业布局 但华丽的数据下并不都是光鲜，仍然存在许多问题，首先我国石墨烯技术专利虽然很多，但专利质量总体不高，基础核心专利量较少。其次，虽然我国石墨烯产业推进速度快，应用较多，但主要停留在中低端领域，系统性的基础研发不足，缺乏后劲。说人话就是我国非常重视近期实用性产品的开发，比如电池中加入石墨烯作为导电剂、防腐涂料中加入石墨烯提升防腐性能。而国外则更注重真正能体现石墨烯特性的未来技术研发，比如石墨烯触摸屏，石墨烯芯片等。虽然总体上我国处于石墨烯第一梯队，但在未来技术研发领域还需要多下功夫。 通过以上的讲解我们发现石墨烯现阶段最大的问题就是无法做到规模化产业化，没有高效低成本的方法制备出石墨烯。这也让石墨烯比金还贵。如果有一天我们突破了石墨烯的制备技术，真正能做到大规模生产，那么我们离石墨烯的真正应用也就不远了。到那时再谈石墨烯内裤，石墨烯发热冲锋衣也不迟，但现在，就当它们是痴人说梦的笑话吧。广告上石墨烯的噱头，更多也只是为了迎合消费者的猎奇心理，顺便提高产品价格的话术。  石墨烯产业规模 这也是为什么院士要怒斥石墨烯电池，别总想搞些什么大新闻，踏踏实实做事才是真。在石墨烯产业化之前，还是多听听科学家的意见，不要被黑心商人带了节奏。下次再吹石墨烯之前，千万不要忘了科学是严肃的，在引入营销的活水之前，一定要讲事实，摆道理。以免偷换概念。 |
|
|
