石墨烯是超材料吗

什么是石墨烯是超级材料？它有什么物理特性？

曼彻斯特大学的两位科学家进行了一个看似简单的实验，结果可能会改变世界。在实验室，研究人员安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃塞洛夫（KonstantinNovoselov）玩弄着石墨，这是制作铅笔芯的材料。石墨由彼此堆叠的超薄纯碳片制成。吉姆（Geim）和诺沃塞洛夫（Novoselov）想看看他们是否可以分离出单片石墨，即只有一个原子厚的薄碳层。

于是，他们找来一卷透明胶带，然后开始了他们的试验。英国广播公司（BBC）报道，这就是海姆描述他们所采用的技术的方式。

“您将粘胶带放在石墨或云母上，然后剥去表层。胶带上会有石墨片脱落。然后将胶带对折，然后将其粘贴到表面的薄片上，然后再分开。您将这个过程重复10或20次。每次，薄片都变得越来越薄。最后，一层非常薄的石墨薄片附着在胶带上，然后将胶带溶解，于是我们获得了实验想要的东西。”

粘胶带方法有效！通过隔离单层碳，海姆和诺沃塞洛夫（Novoselov）发现了一种前所未有的材料，即石墨烯，该材料现在被认为是地球上最坚固、最轻和最导电的物质。

2010年，海姆和诺沃塞洛夫（Novoselov）因发现石墨烯而获得了诺贝尔物理学奖，全世界的研究人员开始倡导使用这种非凡的“超级材料”，来制造功能更强大、寿命更长的电池，更快的微芯片，柔性电路，可植入生物传感器。十年后，石墨烯尚未兑现被大肆宣传的承诺，但业内人士有信心，我们最终将在未来几年看到使用基于石墨烯的技术的智能手机、电动汽车和传感器。

为什么石墨烯是超级材料？

一片石墨烯厚度仅为一个原子厚，该超级材料所具备的优点：

石墨烯的重量比钢强200倍。它比纸张轻1000倍。它是98％透明的。在室温下，它的导电性能优于任何其他已知材料。它可以将任何波长的光转换为电流。最后但并非最不重要的一点是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我们不太可能耗尽它。

石墨烯从其结构中获得了超能力。如果可以放大得足够近，您会发现一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。单个碳原子以类似于鸡丝的六边形排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价键合，从而使该材料具有不可思议的强度。

为什么石墨烯导电性好？同样，由于那些碳原子键合的方式。每个碳原子的外壳中都有四个电子，但是这些电子中只有三个与其相邻的三个碳原子共享。剩余的电子称为pi电子，并且可以在三维空间中自由移动，这使它可以在几乎没有电阻的情况下跨石墨烯片传输电荷。实际上，石墨烯是室温下任何已知物质中最快的电导体。

图注：在卡博特公司，高级研究员马特·海斯克思在三个小瓶中研究石墨烯的进度。左边的小瓶是石墨，中间的石墨是膨胀的，右边的是石墨烯。

魔角

最近的发现可能会给石墨烯的吹牛清单又添加了一行。麻省理工学院（MIT）的一个小组正在研究双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——当他们偶然发现了石墨烯的一种新近神奇的特性时。当各层之间略微错开旋转（正好为1.1度的位移）时，石墨烯将成为超导体。超导体是最稀有的导电材料，它完全没有电阻且热量为零。

石墨烯“魔角”的发现在科学界引起了冲击波。尽管该实验是在极低的温度（接近0开氏温度或零下459.67F）下进行的，但它打开了将石墨烯与其他超导元素结合在一起，使我们比以往更接近室温超导性的可能性。这样的成就将从根本上改善从小工具到汽车到整个电网的一切能源效率。

石墨烯如何转变技术？

纳米技术教授，剑桥大学石墨烯中心主任安德里亚·费拉里（AndreaFerrari）说，超导电性还需要几十年的时间，但是革命性的基于石墨烯的产品要早得多地投放市场。

费拉里说：“到2024年，市场上将会有各种各样的石墨烯产品，包括电池、光子学、夜视摄像机等等。”

多年来，消费者一直在等待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度相对较慢，汁液很快流失，经过一定次数的循环后就会烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但是由于石墨烯是世界上最有效的电导体，因此在充电或放电时产生的热量要少得多。基于石墨烯的电池有望比锂离子电池快五倍的充电速度、三倍的电池寿命和五倍的更换周期。

三星和华为等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他小工具的石墨烯电池，但最早进入市场的电池是2021年。至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会显著增加其驾驶半径——这还有几年时间。整个行业都建立在锂离子技术之上，不会一夜之间改变。

"电池行业非常保守，"石墨烯公司的首席执行官耶稣·德拉富恩特说，该公司向学术研究人员和研发部门生产和销售纯石墨烯和石墨烯芯片。“它可能会每五到十年改变一次电池的组成，这使得在这个行业很难推出新产品。”

市场上有一些石墨烯电池，包括来自一家名为石墨烯旗舰公司的有线和无线充电器，但这只是冰山一角。费拉里（他也是石墨烯旗舰公司的科技官员。）说，欧盟为加快石墨烯技术的发展而与石墨烯公司合作了10亿欧元。与旗舰公司合作的研究合作伙伴已经在生产石墨烯电池，其容量和能量都优于当今最好的高能电池20%的容量和15%的能量。其他团队已经建造了石墨烯太阳能电池，这种太阳能电池在将阳光转化为电能方面效率提高20%。

石墨烯的其他用途

尽管石墨烯电池可能首先进入市场，但研究人员正在忙于开发这种奇迹材料的无数其他应用。

生物传感器很重要。想象一下一个非常薄且灵活的芯片，可以将其注射到血液中以监控实时健康数据，例如胰岛素水平或血压。或者是石墨烯界面，它可以向大脑来回发送信号，以检测即将发生的癫痫发作，甚至可以预防癫痫发作。细长的可伸缩传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的织物上。

图注：中国香港理工大学物理学教授严峰博士于2015年拥有具有石墨烯电极的低成本半透明太阳能电池的新发明。

光子学是已经纳入石墨烯的另一个领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器甚至可以极大地提高对可见光谱和不可见光谱中最微弱的光波的灵敏度。这不仅将改善照相机和望远镜的图像质量，而且还将改善医学图像。

石墨烯的重量和强度是怎样的？

2004年，曼彻斯特大学的两名科学家进行了一项看似简单的实验，其结果可能会改变世界。研究人员安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫正在玩铅笔尖上的石墨。石墨是由超薄的纯碳片叠在一起而成的。Geim和Novoselov想看看他们是否能分离出一片石墨，一层不可能薄到只有一个原子厚的碳层。

所以，他们抓起一卷胶带。是的，和你放在垃圾抽屉里的透明胶带一样。以下是盖姆如何描述他的技术：

“您将[胶带]放在石墨或云母上，然后剥去顶层。胶带上会掉落石墨薄片。然后将胶带对折，然后将其粘贴到顶部的薄片上，然后再分开。您将这个过程重复10或20次。每次，薄片都变得越来越薄。最后，您将非常薄的薄片附着在磁带上。溶解磁带，一切都溶解了。”

粘胶带方法有效！通过隔离单层碳，Geim和Novoselov发现了一种崭新的材料，即石墨烯，该材料现在被认为是地球上最坚固，最轻和最导电的物质。

2010年，Geim和Novoselov 因发现石墨烯而获得了诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始呼吁使用这种非凡的“超材料”来制造功能更强大，寿命更长的电池，更快的微芯片，柔性电路，可植入生物传感器和更多。十年后，石墨烯尚未兑现被大肆宣传的承诺，但业内人士有信心，我们最终将在未来几年看到使用基于石墨烯的技术的智能手机，电动汽车和传感器。

为什么石墨烯是超材料？

一片石墨烯厚度仅为一个原子厚，可以检查超材料的所有盒子：

石墨烯的重量比钢强200倍。

它比纸张轻1000倍。

它是98％透明的。

在室温下，它的导电性能优于任何其他已知材料。

它可以将任何波长的光转换为电流。

最后但并非最不重要的一点是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我们不太可能耗尽

石墨烯具有超强的结构。如果可以放大得足够近，您会发现一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。各个碳原子以类似于鸡丝的六边形图案排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价键合，从而使该材料具有不可思议的强度。

为什么石墨烯导电性如此好？同样，由于那些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳中都有四个电子，但是这些电子中只有三个与其相邻的三个碳原子共享。剩余的电子称为pi电子，并且可以在三维空间中自由移动，这使它可以在几乎没有电阻的情况下跨石墨烯片传输电荷。实际上，石墨烯是室温下任何已知物质中最快的电导体。

三个小瓶中石墨烯的进程。左边的小瓶是石墨，中间的小瓶是石墨膨胀的，而右边的小瓶是石墨烯。

最近的一项发现可能会给石墨烯的自吹自擂增添另一个超级力量。麻省理工学院（MIT）的一个研究小组正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——突然发现了石墨烯的一种几乎神奇的新特性。当这些层彼此稍微偏离直线旋转时（精确到1.1度），石墨烯就变成了超导体。超导体是最稀有的一类导电材料，它完全没有电阻和零热量。

石墨烯“神奇角度”的发现在科学界掀起了轩然大波。尽管这项实验是在极端低温下进行的（接近0摄氏度或零下459.67华氏度），但它揭示了一种可能性，即通过将石墨烯与其他超导元素结合起来，我们比以往任何时候都更接近于室温超导电性。这样的成就将从根本上提高从小玩意到汽车到整个电网的能源效率。

石墨烯如何改变技术？

纳米技术教授、剑桥石墨烯中心主任安德烈·费拉里（Andrea Ferrari）说，超导性还需要几十年的时间，但基于石墨烯的革命性产品上市要快得多。

“到2024年，市场上将有各种各样的石墨烯产品，”法拉利说，“包括电池、光子学、夜视摄像头等等。”

多年来，消费者一直在热切等待石墨烯电池。我们所有的电子产品中的锂离子电池充电速度相对较慢，很快就会失去能量，在一系列的循环之后就会耗尽。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上最有效的导电体，它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯基电池有望比锂离子电池快5倍充电速度，比锂离子电池寿命长3倍，循环次数是锂离子电池的5倍。

三星（Samsung）和虎威（Huwei）等电子企业正积极开发用于智能手机和其他电子产品的石墨烯电池，但这些电池最早将于2021年面市。至于电动汽车中的石墨烯电池——这会大大增加它们的行驶半径——这还需要几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术上，不会一夜之间改变。

“电池行业非常保守，”Graphanea的首席执行官Jesus de la Fuente说。Graphanea是一家生产纯石墨烯和基于石墨烯的芯片并向学术研究人员和研发部门销售的公司它可能每五到十年改变几次电池的成分，这使得在这个行业中引进新产品非常困难。”

市面上有几种石墨烯电池，包括一家名为Real graphene的公司生产的有线和无线充电器，但这些只是冰山一角，同时也是石墨烯旗舰产品的科技官员的法拉利说，一项由欧盟出资10亿欧元的合作项目，旨在加速石墨烯技术的发展。与旗舰公司合作的研究伙伴已经在制造石墨烯电池，其性能比当今最好的高能电池高出20%的容量和15%的能量。其他研究小组制造了石墨烯太阳能电池，这种电池将太阳光转化为电能的效率提高了20%。

石墨烯的其他用途

尽管石墨烯电池可能首先进入市场，但研究人员正在忙于开发这种奇迹材料的无数其他应用。

生物传感器很重要。想象一下一个非常薄且灵活的芯片，可以将其注射到血液中以监控实时健康数据，例如胰岛素水平或血压。或者是石墨烯界面，它可以向大脑来回发送信号，以检测即将发生的癫痫发作，甚至可以预防癫痫发作。细长的可伸缩传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的织物上。

中国物理学教授严峰博士于2015年拥有具有石墨烯电极的低成本半透明太阳能电池的新发明。

光子学是另一个已经加入石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到感光芯片中，相机和其他传感器可以大大提高对可见光谱和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅能提高照相机和望远镜的图像质量，而且还能改善医学图像。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。用石墨烯聚合物制造的简单净水过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。石墨烯旗舰公司的研究人员还开发了基于石墨烯二极管的脱盐技术，这种技术可以去除海水中超过60%的盐，用于农业和其他用途。

所有这些发展都需要时间，但剑桥石墨烯中心的法拉利相信石墨烯将不辜负其大肆宣传。事实上，他同样对尚未被发现的2000种单分子层材料的性质感到兴奋，这些材料也正在被分离，胶带法或其他方法。

“我们说石墨烯，但我们实际上是在探讨大量的选择，”法拉利说事情正朝着正确的方向发展。”

石墨烯属于什么材料

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。

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

扩展资料

1、石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。

而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

2、石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。

当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。 此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移

3、石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 同时，石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。

参考资料来源：百度百科 _石墨烯（二维碳材料）

超材料有哪些

一般认为超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。 迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。 六类超材料： 1、自我修复材料——仿生塑料 伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小

石墨烯是什么材料？

石墨烯是目前世界上最薄、最硬、导电、导热性能最强的材料，被誉为“新材料之王”，甚至被材料界称为“黑金”。在基础研究、传感器、半导体、柔性显示屏、新能源电池等领域，有着巨大的潜力。 但是，石墨烯“新材料之王”的宝座还没坐稳，另一种更具潜力的纳米材料横空出世，它就是硼烯。硼烯和石墨烯都属于二维材料，但比石墨烯更强、更轻、更柔韧，也更容易发生化学反应。  除了是电和热的良导体，甚至还能实现超导。因此，有着更加广阔的前景。  由于硼烯是目前已经最轻的二维材料，并且，其表面活性很高，极易发生化学反应，更适合在电池里存储金属离子。因此，硼烯是理想的电极材料。其次，氢离子更容易粘附在硼烯的二维结构表面。