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新華網

英國研發超堅固材料石墨烯: 硬超鑽石軟如橡膠


10月9日消息,石墨烯是一種「超級材料」,硬度超過鑽石,同時又像橡膠一樣可以伸展。它的導電和導熱性能超過任何銅線,重量幾乎為零。隨著這種令人驚歎的新材料投入使用,我們生活的方方面面都將發生革命性改變。懷疑論者指出,碳纖維等絕大多數新材料在發明後需要20年時間才能投入商業使用,石墨烯也不例外。現在,科學家已經踏上偉大的石墨烯革命之路,但這條道路也充滿不確定性。

性能高 成本低

一些研究人員表示石墨烯是繼100多年前首次人工合成塑料之後研發的最重要的新材料。如果這種擁有超強性能的新材料投入使用,研製可以彎曲並放在耳後的手機將不再是一種夢想,高清晰電視的厚度也將只有壁紙那麼厚,電子報紙也將變得可彎曲,讓讀者可以將其放在狹小的空間裡。石墨烯能夠讓醫藥界發生革命性改變,能夠取代硅,成為製造電腦芯片的原材料。

7年前,英國發現了這種神奇的材料。2010年,曼徹斯特大學的兩位科學家憑借在石墨烯研究方面取得的成就榮獲諾貝爾物理學獎。本周,英國財政大臣喬治-歐斯本承諾拿出5000萬英鎊(約合7778萬美元),研發基於這種超堅固材料的技術。在經濟學方面,石墨烯最令人興奮的特性莫過於較低的成本。通常情況下,科學家研發一種新型材料時成本都高的驚人。石墨烯採用對石墨進行化學處理的方式製造。石墨是鉛筆中「鉛」的原材料,造價很低。每隔幾個月,研究人員都會研發出大規模生產石墨烯的新方式,進一步降低成本。一些專家表示石墨烯的生產成本能夠降至低於每磅4英鎊(約合每453克6美元)。

石墨烯能夠成為21世紀堪稱奇跡的新材料嗎?擁有諸多特性的石墨烯化學結構非常簡單,簡單的令人感到不可思議。一片石墨烯就是一層碳原子,它們緊密結合在一起,形成蜂巢圖案。石墨烯是迄今為止研發的最薄材料。300萬片石墨烯堆疊在一起的厚度也不過1毫米。此外,它也是人類已知的最堅固材料,強度是剛的200倍,硬度是鑽石的數倍。

史上最薄的材料

一片石墨烯能夠承受相當於一頭大象的重量。計算結果顯示,一頭大象需要站在鉛筆的末端,才能憑借體重刺破石墨烯片。除了強度極高外,石墨烯也擁有驚人的柔軟性,可在不出現破損的情況下伸展20%。此外,這種材料的導電性也遠遠高於銅(通常用於生產電線),同時也是地球上導熱性能最高的材料。

石墨烯由石墨製成,後者是一種灰色礦物,儲量極高,主要產自智利、印度和加拿大等國。鉛筆芯由數百萬層石墨烯構成。這些層鬆散地結合在一起,這也就是為什麼鉛筆劃過紙面時,石墨烯會脫落。2004年,康斯坦丁-諾沃肖羅夫教授和安德魯-蓋姆教授首次分離出石墨烯。他們利用膠帶剝離石墨上的薄層,而後將其放在硅片上並借助顯微鏡進行觀察以進行確認。

諾沃肖羅夫教授出生於俄羅斯,現年37歲。他認為石墨烯能夠讓從電子學到電腦的一系列領域發生革命性改變。他說:「我不認為石墨烯的潛力被誇大。憑借簡單的結構——可能是世界上最薄的物質——以及大量獨特的特性,這種新材料吸引了很多人的目光。石墨烯擁有數百種獨一無二的特性,優於其他材料。由於只有一個原子那麼厚,這種材料透明度極高。具有導電性能的透明材料並不多。」

成為材料學界焦點

石墨烯的發現轟動了材料學界,隨後便成為研究焦點。2010年,有關石墨烯特性的研究論文多達3000篇,專利申請400項。電子業相信石墨烯將讓包括iPhone和Kindle在內的電子產品的製造發生革命性改變。現代觸摸屏採用氧化銦錫,這是一種可以導電的透明材料,造價昂貴。此外,使用這種材料製造的屏幕很容易摔裂或者摔碎。用基於石墨烯的化合物取代氧化銦錫允許製造柔軟的薄如紙的電腦和電視屏幕。韓國研究人員使用石墨烯製造出25英吋(約合63.5厘米)可彎曲觸摸屏。

如果使用石墨烯作為原材料,電子報紙的面貌將發生徹底改變。我們不妨想像一下,輕觸電子報紙角落裡的按鈕,更新內容或者移到下一頁,看完之後將其折疊起來,第二天再打開,繼續瀏覽自己關注的內容。其他一些研究人員將目光投向石墨烯的醫學用途。此外,這種新材料也可用於取代碳纖維船身和自行車車身。石墨烯製造的輪胎強度也要超過普通輪胎。一些研究人員表示石墨烯甚至可以取代硅,用於製造電腦芯片。未來,一張石墨烯信用卡存儲的信息量可相當於今天的電腦。

諾沃肖羅夫表示:「我們正在研發這種新材料的諸多特性。如此多的人研究一種材料是以往未曾出現過的。你可能希望將其與塑料結合在一起。石墨烯是一種萬能材料,相當於所有塑料的總和。這是一種令人吃驚的材料,它的潛力並沒有被誇大,這也就是為什麼會有如此多的研究人員研究這種材料。」

英政府太「摳門」

倫敦科學博物館材料學館館長蘇-莫斯曼表示,石墨烯可以與酚醛樹脂相提並論,後者是科學家首次合成的塑料,發明於1907年。酚醛樹脂具有較高的抗熱和抗化學物質特性,是一種出色的電絕緣材料,用於生產電源插頭、無線電、照相機和電話。她說:「酚醛樹脂的時代是否將成為過去並被石墨烯取代?歷史的經驗告訴我們,我們這個國家很善於發明,但卻不善於將發明投入應用。」

英國歷史上一些偉大發明最終都未得到適當的商業開發,為普通百姓造福,例如聚乙烯和碳纖維,如果不讓石墨烯步這些發明後塵,英國政府需要投入大量資金進行研發。這也就是為什麼政府出資幫助研發的舉動在保守黨會議上博得一片掌聲。但與美國和亞洲在石墨烯研發方面的投入相比,財政大臣承諾的5000萬英鎊微不足道。為了研發基於石墨烯的技術,韓國政府投入了1.95億英鎊(約合3億美元),歐盟委員會預計在未來10年投入10億歐元(約合13億美元)研發石墨烯技術。

儘管對石墨烯技術的研發充滿激情,但很多研究人員懷疑這種新材料能否實現如此高的預期。在石墨烯之前,科學家也曾研發出驚人的新材料,但最終的應用卻少得可憐。1985年,科學家研發出新型碳材料富勒烯,被譽為當時的革命性新材料。儘管進行了大量宣傳,但這種材料並未得到很大的實際應用。

石墨烯的使用也面臨一系列問題。這種材料的導電性能極高,可用於製造晶體管——負責控制電流,需要具備阻止電流通過的能力——等裝置,但事實證明,石墨烯的這一用途面臨挑戰。2011年初,IBM承認「很難想像」用石墨烯取代硅,用於生產電腦芯片。懷疑論者指出,碳纖維等絕大多數新材料在發明後需要20年時間才能投入商業使用。現在,科學家已經踏上偉大的石墨烯革命之路,但這條道路也充滿不確定性。

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