石墨烯的應用及石墨烯的用途

石墨烯作為碳納米材料科技創新的前沿領域,憑借其特殊的晶體結構性能引起了科學界的廣泛關注和研究,是迄今為止發現的最薄的二維材料,被認為是構建石墨、富勒烯和碳納米管和石墨的基本結構單元,具有優良的導熱性能,力學性能,較高的電子遷移率,較高的比表麵積和量子霍爾效應等性質。由於石墨烯具有優異的導熱性能和力學性能,故其在傳感器、聚合物納米複合材料、光電功能材料、藥物控製釋放等領域表現出眾多潛在的石墨烯應用前景。引領了21世紀新的技術革命。

看好未來突破五大領域

業內普遍的看法是,未來石墨烯的應用前景將會在五大領域出現。一是光電產品領域,以其非常好的透光性、導電性和可彎曲性,在觸摸屏、可穿戴設備、OLED、太陽能等領域中發揮作用。這也是目前公認最可能首先實現商品化的領域。二是能源技術領域,主要依賴於石墨烯超高的比表麵積、超輕的重量和非常好的導電性。采用石墨烯的超級電容器,其極限儲能密度是現有材料的2-5倍左右,被稱作最理想的電極材料。三是功能複合材料,通過將石墨烯加入各種塑形基體,能夠製備出具有很好導電、導熱、可加工、耐損傷的特殊材料,在集成電路、散熱片、高韌性容器等方麵有應用潛力。四是微電子器件。未來的石墨烯半導體、石墨烯集成電路、THz器件等領域,可能需要利用石墨烯獨特的性質來發揮。五是生物醫藥和傳感器領域,石墨烯對單分子的響應能力、承載抗體後的分子輸運能力都是其他傳感器不能實現的。

在醫家智烯官網有專門整理出石墨烯纖維的應用和石墨烯發熱膜的應用相關資料,這裏就不詳述了。

那麽,除了這兩個,石墨烯的應用還有哪些呢?

1. 石墨烯的應用---石墨烯電池

在電池生產中石墨烯可直接作為正負極材料,或是作為導電添加劑添加到正負極材料中,還有是作為塗層提高電池功率特性。充電和續駛裏程問題一直困擾著新能源汽車,這是因為鉛酸電池和傳統鋰電池的發展遭遇“瓶頸”,而石墨烯電池有望在此取得突破。在不久前舉行的上海車展上,有車企推出了一款石墨烯鈦酸鋰電池,可以實現10~15分鍾快速充電,可持續充放電超過4萬次,油電綜合續駛裏程可達1000千米以上。

2. 石墨烯的應用---石墨烯集成電路

由於具備超高電子傳輸能力和良好的導熱能力,石墨烯被認為會取代現在廣泛使用的矽而成為下一代集成電路的根基。2010年,美國一個研究團隊製成了首塊基於石墨烯的晶體管,並將其整合進一塊完整的集成電路中。2016年,中國科學家研製出首隻低噪聲放大單片集成電路。

3. 石墨烯的應用---石墨烯觸摸屏

智能手機最關鍵的部件是有一塊既能導電又非常透明的觸摸屏,而石墨烯的良好的柔韌性、導電性和光學透明性完全能滿足這一需求,比目前的透明電極材料氧化銦錫(ITO)更完美。韓國研究人員已製造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲的顯示屏,用這種方法還可製造基於石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器、平板顯示器、有機發光二極管等。

4. 石墨烯的應用---石墨烯存儲器

英國、韓國的研究人員還在致力開發基於氧化石墨烯的可彎曲、透明的存儲係統。基於石墨烯的新型存儲材料成本低、功耗小、重量輕、體積小、存儲密度高,可以三維堆積。例如,英國開發的這款石墨烯二氧化鈦存儲隻有50 納米長、8 納米厚,寫入和讀取速度僅需5 納秒。隨著基於石墨烯的觸屏、內存等電子器件不斷開發,未來可彎曲、全透明的智能手機將成為現實。

5. 石墨烯的應用---石墨烯超級材料

美國研究人員把柔軟的石墨變成了強勁的“鋼筋”,過程是把單層二維結構的石墨烯變成具有三維結構的石墨烯泡沫狀材料,再用機械性能較強和高導電性的碳納米管來強化該材料,從而製成“鋼筋石墨烯”。中國研究人員利用細小的管狀石墨烯構成一個擁有蜂窩狀結構的泡沫材料,它像氣球一樣輕卻像金屬一樣堅固,未來可以用其製造防彈衣、坦克裝甲等。

6. 石墨烯的應用---癌症早期診斷

中國科學家首次發現石墨烯有助於癌症早期診斷。在機體出現異常情況時,核酸分子生物標誌物cmocroRNA在血清、尿液以及唾液中含量也會隨之改變,但一般檢測方法難以捕捉到,而借助石墨烯的強吸附性,可使檢測的靈敏度大大提高。通過對捕捉到的cmocroRNA進行綜合性分析,即可得出機體是否出現癌變,以及是哪種癌症,對於各類癌症的早期診斷、治療具有重要意義。

7. 石墨烯的應用---石墨烯“人工喉”

人的喉嚨僅能發出聲音而無法感知聲音。如果能有一種材料可以同時感知聲音、發出聲音,並且具有柔性,用其製成“人工喉”,就能解決像霍金那樣的肌肉萎縮患者,甚至聾啞人的說話難題。最近,中國研究人員就利用多孔石墨烯材料研發出這種集成聲學器件,它通過熱聲效應發出聲音,通過壓阻效應接收聲音信號。

8. 石墨烯的應用---石墨烯燈泡

現在傳統的白熾燈泡已逐步被白光LED所取代,雖然LED照明功耗低、效果好,但價格高,且製作時需要稀土元素作為原材料。在英國,科學家研製出全新的石墨烯燈泡,擁有比LED燈泡更堅固的結構和更低廉的價格,可讓燈泡使用時間延長,進一步減少10%的能源消耗。

9. 石墨烯的應用---海水淡化濾膜

目前的海水淡化方法需要消耗大量能源,成本高,還會對環境產生負麵影響。英國研究人員正在研究以相對廉價的石墨烯氧化物濾膜來進行海水淡化。這是一種可讓水分子通過而鹽離子濾出的選透性薄膜,不需要高溫和高壓,因而是一種低成本的海水淡化替代方案。

10. 石墨烯的應用---石墨烯除汙海綿

科學家利用石墨烯“海綿體”超高的比表麵積,對有毒有害物質進行吸附,吸附量可達自重的上百倍,吸附之後經過處理還可循環使用。中國科學家在普通海綿表麵均勻地包裹上石墨烯塗層,利用其導電、疏水、親油特性,吸附海麵上泄漏的浮油。

11.石墨烯的應用---防鏽

由於石墨烯不會溶於水,因此可以混合聚合物用於防鏽塗層。石墨烯不溶於水加上超高導電性,如果與鋼結合的話,就可以防止鋼接觸到水並緩解氧化鐵的電化學反應。之前就有一位化學家做了實驗,將噴了此塗層的鋼浸泡在鹽水中,一個月後鋼的表麵沒有任何鏽跡出現。設想下,如果噴在汽車上呢,是不是就不怕愛車生鏽了!

12.石墨烯的應用---揚聲器

這種揚聲器的發聲原理是石墨烯通過傳輸電流產生的熱能發聲。如果將厚度不足一納米的一層石墨烯放於玻璃以及兩種塑料上(兩種不同類型),然後施加交流電,就能聽到聲音了。這種揚聲器不是通過隔膜振動,而是通過石墨烯運輸電流發聲,最大的優勢就在於薄以及柔韌性,可以做成任何形狀。

13.石墨烯的應用---超級電容

我們都知道電容是可以存儲電能的,比如相機的閃光燈就是依靠它提供能量。但是單位質量的電容所存儲的電能有限,這個時候就要用電池了。然後石墨烯電容可以存儲更多的能量,還可以有更多的充放電次數。完全可以不用電池提供能量了。

14.石墨烯的應用---清理放射性廢棄物

這個就是依靠石墨烯的超強吸附能力了。將石墨烯氧化物微粒與放射性物質相結合,然後聚集成團,這樣就非常便於後期的收集。以後核廢料的清除將變得更安全。

15.石墨烯的應用---柔性電子線路

電腦的運算速度提高50倍。現在的電腦芯片,最重要的材料是矽。而石墨烯比矽具有更好的導電性能,它可以用更少的電力,產生更小的熱量,甚至都可以淘汰掉冷卻風扇,而且速度還可以提高50倍。最近也有很多有關石墨烯代替矽的資訊,從當中我們不難預測,未來五年內很有可能第一批石墨烯處理器將誕生並投入市場。

16.石墨烯的應用---人工肌肉

把一層石墨烯固定在聚合物上,隻要有電流通過,就會產生褶皺和伸展。這個用途也是從一個實驗開始想到的。在一個實驗石墨烯柔韌性的實驗上,科學家們把石墨烯固定在準備拉伸的橡膠薄片上,當拉力消失的時候,石墨烯還是穩穩的貼合在薄片上。從這個實驗可以想到,如果是把石墨烯貼合到聚合物上呢?隻要給聚合物上有電流通過,就會發生伸縮現象了。這不正是我們人體肌肉的關鍵部分麽!

17.石墨烯的應用---探測爆炸物

對於低濃度爆炸物,可用石墨烯泡沫來探測。這個原理主要是由於石墨烯泡沫能夠探測到低濃度的硝酸鹽和氨。隻要把這個探測器做成電話卡一樣的大小就可以了。

18.石墨烯的應用---DNA測序

石墨烯泡沫過濾器主要是控製石墨烯空隙的大小。這種方法的優點和缺點很有意思,因為優點和缺點分別是成本低和成本高:現有技術是該新技術的三到五倍,然後用於石墨烯DNA測序的設備,價格高達十幾萬美元。

19.石墨烯的應用---夜視

專業的夜視設備,將有望更輕便,方便攜帶。如果是用石墨烯的底片,並且在此底片上添加硫化鉛晶體,結果就是夜視設備將更靈敏,更具有柔韌性。這樣的話,就可以製造出更薄更方便攜帶的夜視鏡咯!

從上麵的介紹我們可以看到,石墨烯作為一種基本材料,可以通過多種形式或者是與不同的其他材料有機結合,將會有無限大的可能性。可以這麽說,隻要有設備和技術的提供,石墨烯作為基本材料將有無限的可能。