曾经红极一时的石墨烯为什么销声匿迹了?现在鲜有听到石墨烯的新闻。
其实石墨烯材料早在上个世纪40年代就已经发现,奈何当时制备石墨烯的纯度比较差,再加上科学界并没有持续关注这一领域,所以就没有后续了!
石墨烯材料真正引起关注一直要到2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两名教授徒手用胶带粘黏石墨,然后对叠胶带,不断重复,最后获得了单原子层石墨材料,也就是真正意义上的石墨烯。
这一发现也让两位教授获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯这种材料的性质特别讨喜,首先外观上几乎完全透明,单层碳原子结构也造就了石墨烯成为目前为止最轻的材料,但坚固程度却可以达到钢的200倍,另外由于石墨烯材料的零能隙,也造就了其优异的导电性,导电性达到银的1.6倍。
同时,石墨烯的稳定性极强,这主要是由于石墨烯碳原子之间的连接比较柔韧,外力一旦施加到石墨烯上,碳原子会通过弯曲变形对抗这种应力,而不至于重新排列,这种稳定性也造就了石墨烯的强导热性。
轻薄,坚固,导电,导热是石墨烯最显著的特性。当2004年这种材料问世之后,科学界普遍认为石墨烯会立即成为颠覆世界的新材料。并且会在电子产品,电池以及航天领域成为不可或缺的关键性材料。
然而,近20年过去了,我们期待的石墨烯材料时代并没有到来,事出反常必有妖,既然石墨烯这么好,为什么却无法商业化?
这就要从石墨烯的本质说起,简而言之,石墨烯就是单层石墨,石墨是十分廉价且普遍的,铅笔笔头就是石墨!
但是石墨烯并不像传统石墨那样拥有三维晶体结构,它是二维的,这就导致石墨烯的厚度只有一个原子尺度大小。碳原子排列类似蜂窝状,从而形成“二维”六方晶格,看起来就和铁丝网一样。
也正是由于这种结构,造就每个碳原子和周围三个碳原子形成极其稳定的共价键。共价键的强度也决定了石墨烯材料的强度。并且稳定的共价键也并不会过多干扰电子从中通过,所以石墨烯的导电和导热性能也就变得十分强。
事实上,石墨烯诞生之初,产量极其稀有,其中最主要的问题就是一旦提高生产规模,就会导致石墨烯质量的下降。
本质原因还是成本控制问题,比如以导电性同样优异的硅树脂来说,其生产成本更低,导电性也同样优异,如果要用石墨烯取代硅树脂,那只有生产成本不高于硅树脂才有利可图。况且石墨烯在导电性上和硅树脂并没有数量级上的优势。
目前制备石墨烯最常用的方式是化学气相沉积法,这种方式就是通过高温反应室生产大量含碳气体,然后将这些碳原子沉积到铜或镍金属基板上,形成石墨烯覆层,然后通过侵蚀法剥离金属,使石墨烯材料附着到更易存储的基板上。
但是这种方式需要大量的能量,并且需要用到具有毒副作用的原料。成本和环保问题也导致这种方式很难被推广开来。
事实上,生产石墨烯的方式很多,比如撕胶带法,这是最简单最原始的机械剥离法,但这种方式对外界环境要求极高,不然就容易掺入杂质,另外这种方式效率实在太低,目前仅用于实验原材料生产阶段。
其他方式还有碳化硅表面外延生长法,金属表面生成法,氧化减薄石墨片法等等。但这些方式无一例外都需要使用大量能源加热原材料,能量投入极大,投入产出比并不适合商业化。
而对于石墨烯电池来说,高昂的生产成本只是一方面,主要还是由于石墨烯电池并没有宣传中那么强悍。
本质上来说,石墨烯电池就是在锂电池或者其他电池中加入石墨烯材料,从而提升电池的部分性能,比如充电速度,散热,容量。但是性能的提升幅度远没有达到预期。其中最重要的一个原因是 石墨烯材料具有高比表面积。
也就是说,石墨烯要想彻底发挥作用,需要的表面积比较大,这和追求小体积的电池工业体系很难兼容。
在电池中加入高昂的石墨烯材料,而性能的提升却十分有限,本来就不符合商业化的逻辑。
另外石墨烯电池的部分优点也被更低成本的其他材料瓦解取代。
除此之外,石墨烯材料也在海水淡化上取得了巨大的发展。
如今,由我国和美国科学家发明了一种基于石墨烯的海水淡化膜,可以去除海水中的盐分。这是一种石墨烯片和碳纳米管网的组合材料,传统的海水淡化是通过蒸发来实现的,但是这会消耗大量的能源,而反渗透法则是另一种更加环保的方式,但这种方式对膜的要求极高,而石墨烯刚好能满足这样的要求,石墨烯膜拥有极高的强度,可以增加膜的使用寿命,另外由于垂直石墨烯薄片的特殊构造,也会将海水中的微生物杀死,所以应用前景十分光明。
石墨烯是毋庸置疑的优秀材料,但奈于成本,目前还无法大规模商业化,但是随着制备工艺的完善和进步,其低成本石墨烯材料时代注定会到来。到时候,石墨烯的轻薄坚固性,以及导热导电性会在各个领域发挥重大作用。
导热性会在服饰领域发挥作用,导电性会在电子领域发挥作用!
轻薄和坚固性会在航空航天,海水淡化等领域发挥重大作用。
我相信在未来,石墨烯注定会成为一种颠覆生活的全新材料!