石墨烯是什么它到底有多神奇（被称为黑金的石墨烯为什么没有普及）

在说石墨烯之前，我们先来看看这只铅笔，我来为大家科普一下关于石墨烯是什么它到底有多神奇?以下内容希望对你有帮助!

石墨烯是什么它到底有多神奇

石墨

在说石墨烯之前，我们先来看看这只铅笔。

铅笔的头上是什么？是铅笔芯？不，那是石墨！

这里要说下，石墨是元素碳的一种同素异形体。

有同学会问了，啥叫同素异形体？

我们知道自然界的物质都是由不同的元素构成的。有些物质虽然它们是由相同的元素构成的，但是它们表现就很不一样，原因是因为分子结构的不同。比如氧气和臭氧就是同素异形体，氧气是两个氧原子构成的，而臭氧是三个氧原子构成的。

氧气和臭氧

回到铅笔这里，石墨和碳也是这样。石墨是每个碳原子的周边连接着另外三个碳原子，排列方式呈蜂窝式的多个六边形，以共价键结合，构成共价分子。

石墨烯

那石墨烯又是什么？它是一种由碳原子组成的二维碳纳米材料。

石墨烯有三个世界之最：薄、轻、强

这里可以拿头发丝打个比喻：

虽然它的厚度是头发丝的20万分之一，可是它的强度比最好的钢材还要高200倍

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，如果用一块1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，但是可以承受一只小猫。

石墨和石墨烯有啥区别呢？

石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，通俗的讲就是切薄了的石墨。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构，石墨烯一层层叠起来就是石墨。厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。比如铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能是几层石墨烯。

在被提取出来之前，石墨烯一直被认为是假设性结构。不过，2004年，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，成功的从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。

安德烈·盖姆 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫

他们用的是最聪明的方法，当然也是最笨的办法，就是用一种特殊的胶带不停的粘撕石墨的表面。最后，经过无数次的尝试，才提取出人类历史上第一片石墨烯。两人因此也共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

当然，现阶段已经出现了很多种提取石墨烯的方法了，比如机器剥离法、氧化还原法、外延法，这样一来就大大节省了石墨烯生产的成本问题。

应用场景

石墨烯目前最潜力的应用就是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。

我们知道电子芯片的基础材料是硅，然而随着芯片上元器件越来越密集，最高端的芯片上，两个元器件之间的距离已经不到10纳米，几乎已经到了硅材料的极限了。

如果想要继续提高性能，该如何实现呢？

目前中国的科研人员已经开始尝试用石墨烯来制造部分元器件，来代替硅的作用。由它制造出来的元器件，理论上它的处理运行速度可以达到硅的十倍甚至上百倍

另外，石墨烯几乎是完全透明的，透明率达到了97%以上，人的肉眼是几乎看不到的。要找到它，还是要用技术手段和相应的专业仪器才可以。

石墨烯可以在各个领域大展拳脚，比如在塑料掺入百分之一的石墨烯就能使塑料具有良好的导电性，加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性提高30摄氏度。

在此基础上，可以研究出薄、轻、拉伸性好、超强韧的新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。韩国已经造出了由多层石墨烯材料组成的可透明可弯曲的屏幕。

韩国三星弯曲屏幕

当然，新能源电池也是石墨烯最早商用的一个重大领域。石墨烯电池利用锂离子，在石墨烯的表面和电极之间，快速大量穿梭运动的特性。石墨烯制造出来的电池充电半分钟，手机就能用半个月，充电半小时，就可以让电动汽车行驶400公里。

石墨烯电池

还有它在雷达上面的应用可以大幅提高雷达的分辨率，在通讯、成像等系统也都有比较广泛的应用。

所以科学家甚至预测石墨烯将彻底改变21世纪，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性、新技术新产业革命。

曹原简介

这里顺便说下中国学生曹原。

世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志在2018年发布了年度科学人物，位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。

他在一次考察堆叠的双层石墨烯的实验，把双层石墨烯其中一层相对另一层偏移极小的角度，想看看会发生什么。于是通过微扭造成各种不同的角度，他发现在特定角度下，导电的石墨烯就变成了绝缘体。

不过后面才是重点，因为他还发现稍微调整一下电场，扭曲的双层石墨烯还能变成一个超导体。也就是说石墨烯通过一定的角度可以产生神奇的超导效应。

尽管该系统仍需要冷却到绝对零度以上 1.7 度，但结果表明，它可能像已知的高温超导体一样导电，这已让物理学家兴奋不已。

据最新的消息，今年的5月6日，曹原与其博导连发两篇自然文章，介绍魔角石墨烯研究的新突破。最新的两篇背靠背文章，探讨用同样的方法应用于其他二维材料体系，继续完善 “魔角石墨烯” 相关的理论和实验研究。

基于 “魔角石墨烯” 的一系列发现，有望在未来应用到诸如能源、电子、环境科学和计算机产业等领域。

24岁的曹原都已经发了两篇nature，想想24岁的我。。。

石墨烯现状

鉴于石墨烯所蕴含的无限应用潜力，世界各国都在不遗余力推动石墨烯产业化发展。

然而现在石墨烯的产业化还处于初级阶段，学术界一直对石墨烯有个共同的看法，即目前制造石墨烯的成本过高并且技术方面并不完善，若要实现工业化应用现在还存在很大的困难。

好的石墨烯很贵，在成本上毫无经济优势。

要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品，依然需要依靠最费时费力费钱的手段——机械剥离法，即用胶带粘到石墨上，手工把石墨烯离析出来。

2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。尽管所需的设备和技术含量看起来都很低，但问题是成功率更低，弄点儿样品做研究还可以，要是进行工业化生产，这样的手段毫无用途，就是掌握了全世界的石墨矿也没有任何商业价值。

石墨烯瓶颈

至于石墨烯的瓶颈在哪？

其实最大的瓶颈在“无知”，这个无知普遍出现在科研成果转向市场化的过程中，实验室成果妄想可以做到量产，而业界不愿意投资在基础材料上，这些都是石墨烯无法产业化的原因。

对比一下石墨烯和现在已经成熟的半导体芯片的制备加工生产行业标准（可以参考“光刻机的制造为什么这么难？），问题就出来了。

最近台积电在美国投资120亿美元在美国建设5nm晶圆厂，到2024年投产。反观石墨烯产业，现在市面上打着石墨烯旗号的产品大多是交智商税的。

与国外对比，我们仍然有很大的差距，国内石墨烯研发机构，石墨烯产业园，可谓发展得轰轰烈烈，但更多的作用，局限于作为一款添加剂，而不是作为一种能够带来数量级变化的材料应用。

未来我们可集中关注在石墨烯电池新能源汽车，可穿戴领域等，梦想是要有的，万一实现了呢？

#科普# #科学有真相# #石墨#