石墨烯将颠覆未来战场 中国决心打造成先导产业

2015-12-23 08:30:39来源: 中国新闻网 关键字:石墨烯  先导产业
    
石墨烯碳原子结构模型。
  英国开发出一种快速量产的新技术,中国专家成功研制产业前景广阔的石墨烯超强电池,工信部、发改委和科技部等三部委发布《关于加快石墨烯产业创 新发展的若干意见》……连日来,石墨烯概念引起广泛关注。实际上,石墨烯不仅具有广阔的产业应用前景,在未来战场上也必将带来颠覆性的变革。请看科技日报 特约专稿——

  有学者曾说:“19世纪是铁器的时代,20世纪是硅的时代,21世纪是碳的时代。”而石墨烯更是碳时代的代表性材料。石墨烯是一种只有一个原子 厚度的呈六角形蜂巢晶格(苯环)的二维碳膜。它从石墨中而来,把石墨片剥成单层形成只有一个碳原子厚度的单层结构,就形成了石墨烯。尽管石墨烯还未投入大 规模的产品生产阶段,但其展现出的性能优势使得人们对其在未来战场上的应用前景充满期待。

  “削铅笔芯”的启示

  由于石墨晶体中层与层之间的间隔较大,且以范德华力相结合,层状结构相对松弛,而石墨烯中碳原子之间柔韧性较大,因此,将石墨层层剥离,并最终 得到性能优异的单层石墨烯成为几个世纪来科学界的反复尝试。但是,石墨烯的制备却并非易事。举例而言,一支普通的铅笔芯大约由300万层的石墨烯所迭加而 成,科学家们尝试了很多种办法试图将石墨烯剥离,但均以失败告终。直至2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆与他的同事从“削铅笔芯”得到灵 感,偶然中发现了一种简单易行的新方法——微机械剥离法:将石墨薄片粘贴在约15-16cm长的塑料胶带上,然后将胶带折叠过来,粘在薄片的另一面上,将 石墨薄片夹在中间,并将胶带和石墨薄片分开,以此将石墨薄片平稳地分成两片,厚度减为原来的1/2。此后,将上述步骤重复10次,不断分割上次得到的薄 片,并最终得到单层的石墨烯。2010年10月5日,安德烈·K·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的卓越研究而获得诺贝尔物理学奖。

  除了微机械剥离法,如今还出现了其他有关石墨烯剥离的新方法,如外延生长法、氧化石墨还原法等等。

  “神奇材料”的特性

  石墨烯以其优于其他材料的特性必将在军事领域大显身手。

  一是材质坚硬。石墨烯的厚度为0.34纳米,比表面积约为2630平方米/克,为已发现的最薄的材料,但其强度却达到180吉帕(约为普钢钢材 的100倍),是人类已知强度最高的物质。哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力,在被实验的石墨烯样品微粒开始碎裂前,每 100纳米距离上的石墨烯可承受的最大压力达到2.9微牛左右。这意味着如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。石墨烯兼具轻薄而坚硬 的材料特性可以使得其在军队轻型运输装备、防御型武器装备的材料生产中发挥出巨大的潜力。

  二是透光率高。石墨烯吸收约2.3%的光,而其透光率则在97%以上,这使得它能够做到几乎完全透光,加之石墨烯具备良好的柔性。可以设想,如 果手机、平板电脑上的其他部件和材料也应用石墨烯进行相应的改进,那么未来电子产品的显示屏就有可能真正实现可折叠。而这样的技术将使得未来的军事装备设 计更加得心应手,富有人性化。美国辉锐科技公司研发并制造出大面积柔性触控屏,率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场,并获专业的科技行业投资基金IDG资 本入股成为其股东之一。可见,石墨烯不仅在国防科技领域具有重要的发展前景,其广阔的应用范围也引发了民营企业的密切关注。除辉锐科技公司外,韩国三星去 年便宣称已将石墨烯成功应用于触摸平板显示器,并制造出多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,可广泛应用于移动设备。

  三是能量损耗低。科学人员通过对机械剥离法制备的石墨烯进行研究发现,在石墨烯的导带和价带之间有重叠,而电子和空穴在其中均有很高的迁移率, 其电子迁移的速度仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。一方面,由于石墨烯电阻率极低,这样高的电子迁移速率使得石墨烯 的能量损耗极低。中国科学技术大学(微博)教授曾长淦曾说:“电子在石墨烯里边好像没有质量一样,运动速度非常快。”另一方面,相对于现在普遍使用的硅基材料,石 墨烯具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达 155G,这对于提高芯片性能具有显著影响。这将使得未来国防科技装备具备更快更强的“大脑”。

  此外,石墨烯对于气体、液体等几乎是“零渗透”。这意味着,如果给舰艇涂上石墨烯涂层,就好似穿上一身“刀枪不入”的防腐铠甲。这些令人感到惊奇的特性也让石墨烯在短短数十载中逐渐成为人们公认的“新材料之王”。

  “革新装备”的应用

  武器装备是战争的主要物质手段,受军事需求牵引和技术进步推动而发展。实验数据显示,石墨烯可以迅速分散冲击力,并能中断通过材料的外展波,承 受冲击的性能远胜钢铁和凯夫拉等材质。此外,科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长,而人类细胞则不会受损,利用这一点可以利用石墨烯来做绷带、 食品包装甚至抗菌T恤衫。



  如今,一方面,石墨烯已在未来军备竞赛中表现出巨大的应用潜力,成为大国发展军事技术的关键突破口;另一方面,石墨烯所存在的隐患也是不能忽略 的。举例而言,石墨烯产业目前最成熟的产品之一是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”,它的制备成本很低,虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端领域,但依然是电子 纸等的优选材料。但其对人体很可能是有毒的,并且科研人员发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。

  前不久,工信部、发改委和科技部联合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出将石墨烯产业打造成先导产业,逐渐实现石墨烯材料在部 分工业产品和民生消费品上的产业化应用,并提出到2020年,形成完善的石墨烯产业体系。根据此次三部门印发的《意见》,未来,石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施,以及新能源、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。

  笔者认为,在石墨烯的技术发展上,首先是要把握发展时机,实现技术创新;其次,由于石墨烯的研究还不成熟,并存在着风险和不确定性,因此,制定 出科学合理的技术路线是实现跨越式发展的关键所在。如康斯坦丁·诺沃肖洛夫曾说:“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现,即那些设计时就 充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。”

关键字:石墨烯  先导产业

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_46955.html
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