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必发bifa88手机版3聚氰胺搞出石墨烯,叁秦都市报

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编者按
5月23日,三秦都市报第五版三秦科普版刊发题为“石墨烯跟摩擦有啥联系?未来或将作为纳米固态润滑材料应用”的科普文章,对西安交大李苏植博士和他的团队研究发现的石墨烯的摩擦行为及机制进行了介绍,现将全文转载如下:

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首先科普一下,石墨是一类层状的材料,每层都是多个六边形碳环的蜂巢式排列,但由于层间作用力较弱,因此石墨层间容易互相剥离(所以咱脆弱的铅笔芯老断-
-#),剥离后形成薄的石墨片(于是在纸上留下痕迹)。但是,这样的剥离存在一个很小的极限,那就是单层的剥离,即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨,这就是石墨烯。

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现在,说到最火的新装备,大家会想到无人机,说到最火的新技术,大家会想到人工智能、3D打印,说到最火的新材料,那肯定就是石墨烯。到底石墨烯是“何方神圣”,根据已知的信息,石墨烯的厚度是头发丝的20万分之一,强度是钢的200倍,是世界上已知的最轻最薄、最强的材料。

石墨烯在2004年被首次发现,现在的研究都集中寻找得到大片高质量石墨烯“薄膜”的方法,从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。最近,RICE大学James
Tour实验室的研究者用甜甜的蔗糖得到了令人欢喜的结果。

石墨烯灯泡、石墨烯锂电池,有关石墨烯的新闻不绝于耳。前不久有媒体报道称,我国专家利用从玉米芯中提取糠醛等物质后剩余的纤维素为原料制备了生物质石墨烯材料。到底什么是石墨烯?它有哪些特性备受推崇?科学家又在研究石墨烯的什么?我们来一起看看这个被誉为“黑金”、“万能材料”的石墨烯。

目前已有公司宣称用石墨烯来做快速充电电池,只需20秒就可以给手机充满电。除了电池,还有公司用石墨烯做内衣、袜子等。那么,石墨烯到底是何方神圣?

他们最开始用有机玻璃(PMMA)作为固态碳源,后来用蔗糖,发现更加简单。在一个高温、低气压的严酷环境中,在1平方厘米的铜箔上,静静地躺着10毫克的蔗糖(马上就要大刑伺候),接着,氢气和氩气一涌而出在蔗糖表面流淌,同时铜箔起着催化剂的作用,上下夹攻10分钟之后,蔗糖就会乖乖就范,很快地转变成了单层石墨。

被称为“黑金”的石墨烯到底是啥?

佛经云:“一花一世界”——对于科学来说,此言甚是不虚。一朵花,一滴水,甚至一粒尘埃中所蕴藏的奥秘,并不比我们目之所及的这个世界简单多少。如果细究下去,一朵花里,科学家可以看到其中蕴藏的有机材料与生命的基础——“碳”和碳构成的整个世界。

按理说,鉴于这些物质的化学性质,它们的结合应该在结构上有缺陷,但是Sun惊奇的发现,这种缺陷在在石墨烯形成的时候被自动修复了。

2004年,一个偶然的机会科学家们无意间在石墨中发现了另一种神奇的物质“石墨烯”。

“碳”和碳家兄弟

用类似的方法还可以得到带有掺杂的石墨烯,这时,万恶的三聚氰胺(C3N6H6)在这里作为重要的掺杂剂出场了,和PMMA混合后在上述类似条件下反应,只需要在大气压力下,就能得到氮掺杂石墨。

安德烈·海姆和同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫用普通胶带纸从石墨中剥离出二维材料石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

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补充知识
:作为当下最热的新材料,石墨烯的潜力是相当强大的。先说说它神奇的一个特性,如果只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层,覆盖在一只杯子上,然后试图用一支铅笔戳穿它,你猜有多费?那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿。神奇的石墨烯的各种好特性,使得快速充电的电池、
容量超高的电容、 能检测单个污染物分子的污染探测器、
能用于量子计算机的特殊元件等成为可能。总的来说就是特殊材料成就高科技。

石墨我们并不陌生,组成石墨的元素是碳。平时我们使用的铅笔,笔芯材料就是石墨。石墨的结构是层面状的,层与层之间的作用力非常弱。铅笔芯正是利用了这个特性,书写时会有一片片微米大小的石墨层脱落。而即使是微米厚度的石墨片,如果用显微镜观察,也是由百万乃至千万层的单层碳原子堆叠在一起所组成的。当只取其中的一个碳原子层,这就是个单层的石墨烯。因此石墨可以看做是许许多多层石墨烯堆积形成的。由于石墨烯在厚度上非常小(大约只有百万分之一毫米),这类材料也就被称为二维材料,从几何维度上加以区别石墨这样的传统三维材料。

各种碳材料的原子结构

来源:
gizmag

科学家张广宇说,石墨烯非常的简单,他举了个简单的例子告诉人们什么是石墨烯。我们活在三维的空间中,石墨烯活在二维空间里面。Z方向只有一个原子层,这个原子层是由碳的六圆环这样一个结构,构成的蜂窝状的结构,这个东西就叫石墨烯。把石墨烯一层一层按一定的次序摞起来,能摞得非常多,上万层、几千万层,这个材料就是我们非常熟悉的材料石墨。用什么方法能够获得石墨烯?

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石墨烯的发现有多重要?“历史学家根据人类使用的材料,将人类历史划分为‘石器时代’‘青铜时代’、‘铁器时代’、‘信息时代’(即‘硅时代’)等等。石墨烯作为碳的一种特殊形态被发现,或许为人类开启了迈向‘碳时代’大门的可能性。”

碳,在空气中,是二氧化碳;在水中,是碳酸;在石灰岩里,是碳酸盐;在一朵花中,它是氨基酸、是DNA,
是糖、淀粉、纤维素……它是宇宙中丰度最高的元素之一,是地球上有机物与生命体的化学根本。碳是神奇的,与不同化学元素结合,便拥有了无数化身,造就了这整个的世界。

当初安德烈·海姆就是用机械剥离法发现了石墨烯,实际上石墨烯的获得有很多种办法,用机械剥离的办法,原理很简单,一层一层的解理,最后给它剩下一个单层,就得到了石墨烯。机械剥离法是当前制取单层高晶质石墨烯的主要方法。当然科研人员也在不断努力,探索寻求开发出更多制备石墨烯的方法。石墨烯的制备方法有微机械剥离法、碳纳米管横向切割法、化学气相沉积法、微波法、电弧放电法、液相剥离石墨法、光照还原法、外延生长法、溶剂热法、石墨氧化还原法、电化学还原法、碳化硅裂解法。

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石墨烯都具有哪些特性?

可是,碳又是平易近人的,古人书画中的松烟、油墨;冬日取暖的煤炭、木炭;清除异味、净化空气的活性炭;甚至美人项上的钻石,儿童手中的铅笔芯,都是碳!如果说,一朵花中存在的各种碳,是碳的化合物与聚合物,是碳的姻亲,那么,这些我们常见到的碳则是单质碳,也称碳的“同素异形体”,就好比是碳的嫡亲子女了。碳家的这些亲兄弟们,由于碳原子的排列或搭房子的方式不同,相貌性情可是大相径庭。

张广宇说,石墨烯从物理尺度上是一个二维材料,它超级薄,只有一个原子层厚。石墨烯的透光率大约是97.7%,它的力学性能非常好,它的杨氏模量是1100Gpa,1m2这样一个单层的石墨烯,如果把它做成一个吊床,一只猫坐在这个吊床上都是没有问题,石墨烯是一个非常强壮的材料。另外,石墨烯不但机械强度好,它的导电性能也好,比如说我们常用的导电性比较好的是银和铜,石墨烯的导电性比银和铜要强100倍到200倍。以前说金刚石的导热性能是非常好的,而石墨烯比金刚石导热性能还好,好到什么程度呢,大约两倍左右。

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基于石墨烯这些特性,人们开始遐想它是否非常适合作为透明电子产品的原料,比如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯未来的发展空间是很广阔的,比如说人造电子皮肤、超薄的传感器、超薄的电子学器件等。为此,一些偏向应用的科学家已经在试着研究利用石墨烯的一些特殊性质来做实际的应用。

煤炭、木炭之类,碳原子的排列是无序的,所以称“无定形碳”
。相比之下,如金刚石、石墨,则都是碳的结晶体,碳原子的排列规则有序,看着就令人喜爱,属于操场上着装列队都整齐划一的那一班孩子,深得老师喜爱。

石墨烯与摩擦有着怎样的联系?

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对于石墨烯的研究科学家们没有停下探索的脚步。西安交通大学李苏植博士和他的团队就研究发现了石墨烯的摩擦行为及机制。在我们的生活中,摩擦现象无处不在。比如,正是借助于鞋底和地面的摩擦力,我们才得以行走;寒冷的冬天我们摩擦双手,会感觉手掌变暖和。人们通过大量的实验现象总结出摩擦学方面的规律,从而更好地指导人们在现实中使用和调控摩擦力。

可是这些乖娃娃又极具个性。比如,石墨是碳原子之间键合成六边形,形成平面结构,层层叠加而成。由于层间存在分子间的弱作用力,所以各层间能轻易平行滑动,这也是为什么石墨可以做铅笔芯,书写时有顺滑流利之感。金刚石或钻石,则是碳原子以四面体状键合,形成的三维密铺网状结构,属立方晶系,密度比石墨要高出很多。因此,石墨是最柔软的物质之一,而钻石却是最坚硬的天然物质,工业上可以用于切割、冲钻、研磨等。

在工业生产中,为了减少机械部件的磨损,常常需要使用润滑剂来降低摩擦阻力,而石墨就是常用的固体润滑剂。二维材料石墨烯在力学、电学、热学等方面都表现出优异而奇特的性能,比如它的强度比钢要高出100倍,同时还具有极好的导电性和导热性。而对石墨烯的摩擦测试发现,它的摩擦行为也非常奇特,与石墨有明显的不同,比如单层石墨烯的摩擦力要比石墨的大。而且,石墨烯的摩擦力在初始阶段会随着摩擦距离的增加而变大,滑动一段距离后摩擦力才稳定,这并不像石墨那样自始至终是不变的。石墨烯的这些特殊现象引发了人们广泛的关注和讨论,但内在的原因却不得而知,传统的微观摩擦理论迄今也未能给出一个合理的解释。

纳米世界里的“碳”

石墨烯有望作为纳米固态润滑材料应用

如果再深入到纳米世界,在我们迄今能用电子显微镜看到的尺度的尽头,等待着我们的碳家兄弟们,更是迷你可爱,各具风采。在这里,我们好奇的目光所及,是如同小足球样的富勒烯、如丝线般的碳纳米管和如薄翼般的石墨烯。尤其石墨烯发现之后,所谓“大道至简”,这些碳兄弟们,可以说都可以基于石墨烯构筑而成。石墨烯卷曲成管,就是碳纳米管;石墨烯适当剪裁,团成球,就是富勒烯;若石墨烯层层叠加,就是石墨。

自2004年首次被制备以来,以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质,成为学术界研究的热点。李苏植博士等通过计算机模拟技术,成功揭示了石墨烯摩擦的内在原因。该团队发现由于石墨烯只是薄薄的一个原子层,如同一片轻薄的纱巾一样,当有物体与其接触产生摩擦时,石墨烯很容易发生局部的几何变形(如形成褶皱),这种几何变形能够改变接触区域的咬合方式最终影响摩擦力,这种咬合力也就是物体之间相互运动所需要克服的摩擦阻力。如果把石墨看作一本书,那么石墨烯就是其中的一页。很容易想象,薄薄的石墨烯很容易形成褶皱,而厚厚的石墨是很难产生这种局部的几何变形,从而也就不具备石墨烯这种与几何构型相关的摩擦特性。

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通过原子模拟,该合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的所有核心现象,并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明:在接触摩擦过程中,石墨烯由于层数不同,确实会引起表面变形能力的差异,进而影响真实的接触面积;但这种单纯的黏着褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。这项研究工作首次阐述了石墨烯摩擦演化行为的机理,相关的“接触质量”理论对于其他拥有超柔力学特性的二维材料也具有普适性,同时对进一步理解固体界面摩擦行为的物理机制具有重要的指导意义。此外,作为新一代的固体润滑剂,石墨烯在诸多方面都表现出优于传统材料的特性。

石墨烯与其它碳材料的关系

国际顶级学术期刊《自然》杂志于2016年底发表了西安交通大学这项最新的研究成果。这项研究在理论和实际方面都产生了很大的意义。从理论角度说,发现传统摩擦理论在二维材料中应用的局限性,完善并扩展了主导二维材料的摩擦机制。另外,基于二维材料自身大柔性的特点,进一步提出了一种通过二维材料几何构型来调控摩擦行为的思路,并对光学、电学等其他方面的研究也有重要的启示作用。在实际应用方面,一些研究表明石墨烯具有优异的润滑和抗磨性能,当前的工作有望作为理论依据,来进一步指导石墨烯作为纳米固态润滑材料在实际中的应用。

那么,可能有人要发问了,

石墨烯究竟是啥玩意?

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石墨烯就是单层碳薄片,是单层碳原子构成的二维晶体。而这一薄层的厚度,就是一个碳原子的厚度。一个碳原子,直径只有0.335纳米。要知道,一纳米是一米的十亿分之一,相当于人类头发直径的万分之一。一毫米的石墨里,就含有300多万层石墨烯!与石墨烯这样的厚度相比,“薄如蝉翼”算得了什么呢!

到了这样的尺度,石墨烯便不再象它在宏观世界里的兄弟石墨那般柔软并闪着深灰色的金属光泽了。它对可见光的吸收率只有2.3%,已经完全透明。它轻如无物,如果能把石墨烯做成一平方米的网,这网的质量不足1毫克。但它又强韧无比,就这1毫克,足以承重1公斤的猫。它极其致密,连最小的气体分子氦气都不能透过。与最好的钢材比,它的强度高出200多倍。它还能舒展自如,可以具有相对自身尺寸的20%的延展率。它的导电性超出我们所了解的电阻率最低的银,导热性能也约高于室温下铜的10倍。

这样一种奇异的材料,如同在我们身边沉睡了千万年的睡美人,直到2004年,方显露真容,为人们所认识。而她的发现,实在令人莞尔。竟是用“撕胶带法”:将石墨片在普普通通的3M胶带上反复层层黏附剥离,最终获得石墨烯,并在电子显微镜下窥得芳容。用类似的方法,你甚至还可以从铅笔的笔芯中得到石墨烯的碎片,纸上一道浅浅的铅笔印迹里,其实就是层层石墨烯的叠加。所谓“如窥汉女妆”,也正如看到一位真正神秘莫测的美人那样,石墨烯的发现着实震撼了学术界。在此之前,大多数物理学家认为,任何完美的二维晶体都无法在非绝对零度(绝对零度指-273.15度)中稳定存在。但是,作为二维晶体形态的单层石墨烯就这样在常温的实验中被制备出来了!

正是由于在2004年成功分离并证明石墨烯的稳定存在,进而发现它的量子霍尔效应,曼彻斯特大学的两位科学家,安德烈·盖姆(Andre
Geim)和克斯特亚·诺沃消洛夫(Konstantin
Novoselov),于2010年荣获了诺贝尔物理学奖!

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量子霍尔效应指约束电子的乱跑乱窜,使其乖乖排排队,限制在一侧流动,从而避免电流在传输中存在的能量损耗现象。这意味着如果石墨烯用于大型计算机,可以使大型计算机变得象iPad大小,使
ipad容量达到几T甚至几十T。于是,仿佛一扇新的大门被打开,使人们看见了一个可能企及的令人目眩神迷的未来世界,随之而来的这些年里,对石墨烯的基础探究和应用研究,呈指数增长。作为一类最新型的纳米碳材料,她的神奇,深深吸引了众人的目光,也同时更激发出人们无限的想象和创造力。甚至连2015年主席去英国进行国事访问,还专门有一程曼彻斯特大学石墨烯研究所的参观访问,华为也随后与该研究所签署了石墨烯项目合作协议。

石墨烯的应用能够带给我们怎样的惊喜?

人们对石墨烯如此充满期待,除了它可望用于制造超微型晶体管,应用于超级计算机,能比现行的基于硅材料制成的芯片运行速度快数百倍、且具有超大容量之外,基于石墨烯的各种特性,从应用上,它还可望用于电子产品,做成柔韧可弯折的透明的触摸显示屏,或穿戴设备。

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石墨烯作为功能性的添加剂,可以用于超级电容器、锂电池,应用于航空航天及电动汽车,满足快充、长程续航的要求。可以用于复合材料、防腐涂料,获得更好的强度、韧性和防腐性能。也可能用于储能、发光板、太阳能电池板等等。

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在环保、节能、通讯、医学等领域,也让人充满了想象和期待。如果能够实现石墨烯大规模的制造和应用,那么,石墨烯确实会在许多方面改变我们的生活。

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前途很光明,但现实差强人意

前途光明,道路曲折

但是,从来“前途是光明的,道路是曲折的”。石墨烯恰恰是在大规模的制造和应用方面面临着实际的困难。

一方面是石墨烯的制造问题。从工业化角度,要取得能实际应用的石墨烯,通过“撕胶带法”,显然是痴人说梦。目前为止,人们确实已经开发出不同的生产石墨烯的方法。如化学气相沉积法,
化学氧化还原法,液相剥离法、微机械剥离法等。但是这些方法,在规模化程度、生产成本、工艺要求、石墨烯产品的得率、纯度、结构的完整性等各方面,都不是完美的。石墨烯在理论上展现的奇异特性,都是基于它在纳米尺度上完美的二维晶体形态,任何边缘或内部结构点的缺陷、层厚的叠增都将使它的应用性能大打折扣,甚至毫无应用价值。

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石墨烯的制备方法及比较

另一方面,是石墨烯在应用上的问题。主要是指它添加到各种配方中,如何在基体材料中做到稳定、均匀分散。对于纳米材料,即使是层数在3-10层之间的少层石墨烯,超大的比表面积(单位质量物体的表面积),本质上对应的是超高的能量体系,纳米粒子间的相互作用力,使3~5%的浓度的石墨烯浆料已经凝固如果冻一样。石墨烯粉体也好,浆料也好,加入基体树脂中,如何均匀分散,避免石墨烯因为团聚而回叠至石墨状态,以及如何在生产中具有批次间的稳定性,都是瓶颈问题。

目前我们所了解到的,国内已有号称100吨级、500吨级、甚至1000吨级的石墨烯粉体或浆料的生产线,但估计大部分仍属于相对低级、廉价的氧化石墨烯纳米颗粒或少层石墨烯。主要作为添加剂应用于重防腐涂料,或作为导电剂应用于锂电池、动力电池等。近两年,也有高纯度石墨烯的量产信息发布,但是,依赖于这类石墨烯的更多产品的开发,依然需要人们平心静气地耐心等待。

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