[科普中國(guó)]-新材料之王石墨烯 真有那么厲害嗎

石墨烯作為一種納米材料經(jīng)常出現(xiàn)在新聞里，它被媒體稱為“新材料之王”，這是言過(guò)其實(shí)？還是確有其事？

這種“新材料”貌似與我們的距離非常遙遠(yuǎn)。而實(shí)際上，它卻早已出現(xiàn)在生活中，只是沒(méi)被我們察覺(jué)罷了。比如石墨烯口罩已經(jīng)面世，而且其防霧霾效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于市面上的口罩。

不同材質(zhì)口罩的作用

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石墨烯有著優(yōu)越的性能

1**、是很好的阻隔材料**

石墨烯是一種很致密的材料，由于原子和原子之間的距離很近，只有0.142nm，所以它的鍵很短。也就是說(shuō)，包括氫氣、氦氣這么小的分子、原子都沒(méi)有辦法穿過(guò)它。因此它是一種很好的阻隔材料，比表面積可以達(dá)到2630平方米每克，面積非常大。

電鏡下的石墨烯結(jié)構(gòu)

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我們可以利用石墨烯的性質(zhì)來(lái)做一些過(guò)濾的材料，在上面開一些我們能控制尺寸的小洞，就可以分離不同的氣體或者是液體。比如海水里面的鹽的分離和水、氣分離，空氣中的氧氣跟氮?dú)獾姆蛛x或者各種揮發(fā)性有機(jī)物之間的分離。

圖片展示石墨烯如何過(guò)濾水中的鹽

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2**、力學(xué)拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼鐵的一百倍**

一種普遍認(rèn)為的結(jié)構(gòu)式見(jiàn)下圖：

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我們?cè)趯W(xué)校里學(xué)的一直是：二維材料這樣一層原子組成的結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，可能會(huì)坍塌。雖然在二維層面有一個(gè)很強(qiáng)的化學(xué)鍵連接，但是在層和層之間是一種很弱的化學(xué)鍵（這個(gè)化學(xué)鍵叫范德華力是一種弱連接）。就像一張紙有兩個(gè)足球場(chǎng)那么大，但它自己無(wú)法支撐自己，除非放在什么上面才行。

但是石墨烯不一樣，石墨烯的力學(xué)性質(zhì)非常之強(qiáng)，它的力學(xué)拉伸強(qiáng)度達(dá)到130GPa，相當(dāng)于鋼鐵的一百倍。通過(guò)理論計(jì)算可得，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達(dá)到一毫米，它甚至能夠撐起一頭成年大象的重量。

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石墨烯的力學(xué)性質(zhì)為何如此強(qiáng)，是因?yàn)樵诿恳粋€(gè)碳周圍有三個(gè)“鄰居”，這三個(gè)“鄰居”形成的碳的鍵非常短、非常強(qiáng)，支撐了石墨烯高強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)。

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3**、石墨烯的導(dǎo)電性能十分優(yōu)越**

理論上講，石墨烯厲害的性質(zhì)還不止如此，它的電學(xué)性質(zhì)也同樣出色，電子遷移率可以達(dá)到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。

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什么是電子遷移率呢？就是說(shuō)電子在這種材料里可以跑得多快。一個(gè)材料的導(dǎo)電性由兩件事情決定，一個(gè)是電子在里面跑多快，第二是有多少電子在里面跑。

晶格結(jié)構(gòu)賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以通過(guò)最近鄰法緊束縛模型得到，石墨烯的每一單位晶格有 2 個(gè)碳原子，導(dǎo)致其在每個(gè)布里淵區(qū)有兩個(gè)等價(jià)錐形相交點(diǎn)。

石墨烯能帶結(jié)構(gòu)

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空穴（又稱電洞，指共價(jià)鍵上流失一個(gè)電子，最后在共價(jià)鍵上留下空位的現(xiàn)象。）在這些相交點(diǎn)附近的物理行為與狄拉克方程所描述的相對(duì)論粒子相似，所以石墨烯中的電子和空穴被稱為「狄拉克費(fèi)米子」，相交點(diǎn)稱為「狄拉克點(diǎn)」。

在狄拉克點(diǎn)附近石墨烯的能量為零，故從這種意義上說(shuō)它的帶隙為零。

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然而就是因?yàn)槭┑牧隳軒?( 零帶隙是指禁帶寬度為零。帶隙是導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差，帶隙越大，電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶越難，本征載流子濃度就越低，電導(dǎo)率也就越低。)，所以它不是半導(dǎo)體，而屬于金屬性質(zhì)，半導(dǎo)體材料的帶隙寬度都是大于零的，其實(shí)石墨烯在未來(lái)微電子學(xué)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景，但是其零帶隙的特點(diǎn)阻礙了石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。那么做電子器件還是有一定的困難。目前，科學(xué)家們正在克服這些零能帶造成的問(wèn)題。

石墨烯優(yōu)越的性能從哪里來(lái)？

這個(gè)問(wèn)題我們可以擴(kuò)展為一個(gè)材料優(yōu)質(zhì)的性能從哪里來(lái)？

我認(rèn)為有兩個(gè)方面：第一，從它是什么元素，第二，這些元素是怎么排列的。

舉個(gè)例子：比如同樣是碳，為什么鉆石、石墨值差距這么大？

金剛石結(jié)

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鉆石是地球上已知最堅(jiān)硬的物質(zhì)，它的顏值很高，價(jià)格很貴，它透明、堅(jiān)硬、絕緣。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松軟的、導(dǎo)電的，兩種材料完全相反，然而它們都是實(shí)實(shí)在在由碳組成的材料。鉆石中每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子以化學(xué)鍵相互連接，臨近原子間距為 0.154 nm，這個(gè)長(zhǎng)度稱為化學(xué)鍵長(zhǎng)。相鄰的化學(xué)鍵成 109.5度的夾角，稱為化學(xué)鍵角。所有化學(xué)鍵的強(qiáng)度都相等。這個(gè)結(jié)構(gòu)看起來(lái)就像一個(gè)巨大的分子。

石墨結(jié)構(gòu)

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石墨與金剛石是C的兩個(gè)同素異形變體。而且石墨結(jié)構(gòu)中有共價(jià)鍵、分子鍵等，所以也不遵循最緊密堆積原理。石墨是一個(gè)典型的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)每個(gè)C與周圍三個(gè)C以sp2雜化軌道形成共價(jià)鍵，還有一個(gè)p軌道沒(méi)有參加雜化，這些沒(méi)有參加雜化的p軌道以垂直于層是方向平行排列，形成一個(gè)大π鍵（相當(dāng)于金屬鍵），層間還有分子鍵。

我們可以看到，在圖中鉆石是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，而石墨只是在二維層面有一個(gè)很強(qiáng)的化學(xué)鍵連接，在層和層之間是一種很弱的化學(xué)鍵連接（叫范德華力），這就造成了它們性質(zhì)的巨大的不同。

石墨烯光帆甚至能把地球帶離太陽(yáng)系石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。前文已經(jīng)提到其具有高的載子遷移率以及低的噪聲，它被用作在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道。

根據(jù)2010年1月的一份報(bào)告《European collaboration breakthrough in developing graphene》中，對(duì)SiC外延生長(zhǎng)石墨烯的數(shù)量和質(zhì)量適合大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路(集成電路)。

另外石墨烯電池也具有儲(chǔ)能高，充電快的優(yōu)點(diǎn)。西班牙的一家工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司聯(lián)合科爾瓦多大學(xué)合作研究出全球首個(gè)石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。

此外，石墨烯還有很多潛在的應(yīng)用。比如其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對(duì)周圍的環(huán)境非常敏感。即使是一個(gè)氣體分子吸附或釋放都可以檢測(cè)到。另外，特殊構(gòu)型的石墨烯在受光后瞬間會(huì)產(chǎn)生大電子流，其非常適合用于太空領(lǐng)域的太陽(yáng)帆（2016年，由著名投資人尤里-米爾納資助，并由斯蒂芬-霍金等人牽頭啟動(dòng)了一項(xiàng)腦洞大開的太空計(jì)劃，該計(jì)劃被命名為Starshot計(jì)劃。旨在用特種材料做成一個(gè)巨大的光帆，然后以光子碰撞能產(chǎn)生恒定動(dòng)力原理一直對(duì)飛船進(jìn)行加速，最終使其達(dá)到光速20%，讓載人飛船只需要21年就能到達(dá)距離地球4.24光年的恒星系半人馬座阿爾法星。研究人員還稱：只需一張理想中足夠大的光帆，甚至能把地球帶離太陽(yáng)系）。

參考文獻(xiàn)：

[1]European collaboration breakthrough in developing graphene. NPL. 2010-01-19 [2010-02-21].

[2]Imaging and Dynamics of Light Atoms and Molecules on Graphene. Nature. 2008, 454: 319. doi:10.1038/nature07094