石墨烯那么火，你了解它多少？

天文知识 · 2016-10-31 10:48:25

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10月23日是我国国家主席习近平访英之行的最后一天。当天，习主席参观了英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所，并指出，在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下，新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导，中英在石墨烯研究领域完全可以实现“强强联合”。这一表态引起了外界对石墨烯材料的高度关注。那么，什么是石墨烯材料？石墨烯材料在航天领域中又有什么用途？全能材料用处大石墨烯，这个让大部分人都感到陌生的名字，却是全球科学家都在竞相研究的课题。它是由碳六角网状构成的二维平面材料（即单层石墨层片），其家族还包括石墨烯衍生材料，即以石墨烯为功能体与其他材料复合或在其他材料辅助下形成的材料。用更通俗的说法就是，这是一块有望让“薄得像纸一样的透明手机”、“1分钟充完电的电池”、“像衬衣一样的防弹衣”等科幻产品变成现实的“点金石”。石墨烯看上去是材料界的“新生力军”，其实它是饱经沧桑的“老者”。说其古老，是因为石墨烯一直作为天然石墨（尤其是鳞片石墨）的基本单元而广泛存在于自然界中，已经有上万年的历史。让石墨烯焕发年轻活力的是曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫。2004年，他们将其作为一种材料的概念分离出来，发现石墨烯是目前唯一的能够单独存在的二维晶体材料，两人因此还获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯非常薄，被认为是世界上最轻的材料，具有极大的强度、导电性、导热性等性能：石墨烯的强度高达130季帕，比最好的钢材还要强上百倍；弹性很好，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯的硬度比莫氏硬度达10级的金刚石还要高，但却又有很好的韧性，可以弯曲。此外，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中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。石墨烯的热导率也非常高，是世界上导热性能最好的材料。石墨烯将成为航天的宠儿石墨烯优异的性能决定了其具有广泛的应用价值。石墨烯目前最有潜力的应用是代替硅制造超微晶体管，用来生产超级计算机。据分析，用石墨烯制备的计算机处理器的运行速度将会提高数百倍。这种超级计算机可以为航天飞行器力学、流体、气动、材料等计算提供更为高效的技术手段，提高飞行器设计、材料研发的进程。此外，利用石墨烯材料生产具有超高导热特性的柔性薄膜，这种材料可以用于航天飞行器仪器舱高功率电子器件部位的热管理系统，用于控制关键电子器件的工作有效性。将石墨烯材料加入塑料、复合材料、金属等材料中，可以大幅提高现有材料的力学性能、热物理性能，从而为航天飞行器的轻质化或高载荷化提供高性能材料。利用石墨烯和碳纳米管形成的新型超轻质泡沫材料，作为航天温控系统热耗散型相变储能用高导热骨架材料也具有一定的应用潜力。另外，石墨烯材料在大容量快速充电锂离子电池、超级电容器、光电传感器、柔性触摸屏、基因测序、超坚韧防弹衣、光调制器、太阳能电池、光驱动等领域也得到了应用开发，均获得了可喜的成果，一些研究成果也可以为航天提供直接或间接的应用。前景广阔但还未成熟石墨烯材料作为一种“全能”材料所表现出的各种超级性能，为人类探索科技极限从理论走向了现实。大规模的石墨烯开发和应用必将极大改变我们的现有认知，对电子、能源、材料、航空、航天、机械等诸领域将产生深刻影响。虽然石墨烯材料应用前景广阔，但它的应用开发才刚刚起步，诸多关键问题（如大面积、高质量石墨烯制备问题、石墨烯快速高效转移问题等）还有待解决。总之，石墨烯材料前景广阔，人类仍然在启程的路上，石墨烯材料应用将引领以航天为代表的诸多技术拥抱更美好的明天。（李同起杨蕾）

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