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石墨烯面膜能防止雾霾?新材料之王石墨烯值得IT新闻的称号吗?

来源:WSB万事博备用APP   发布时间:2019-10-29   点击量:48

    前言:石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻报道中。它被媒体宣传为“新材料之王”。那是夸张的吗?本文作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所青开材料科学家。或者这是真的吗?看来这种“新材料”离我们很远。事实上,它已经出现在生活中,但却没有引起人们的注意。例如,石墨烯面膜已经被引入,并且它们的防雾和雾效果远比市场上的面膜好。本课题的研究者于庆凯将摆脱复杂的信息与新闻,恢复石墨烯的原始面貌。今天我要讨论的材料之一是石墨烯。这是纳米材料。非常小。它有许多优异的性能,那么材料的高质量性能来自哪里呢?你考虑过这个吗?首先,从它是什么元素开始,其次,这些元素是如何排列的。为什么钻石、石墨和二氧化碳之间的价值差距这么大?例如,金刚石和石墨是由碳制成的,但它们似乎在我们的日常生活中具有非常不同的价值。钻石面值高,价格高。它们是透明的,坚硬的和绝缘的。相反,什么是石墨?黑色、柔软、导电,两种材料的情况正好相反,但它们实际上是碳基材料。如果我说一位女士,你在哪儿买的0.2g碳?你一定心烦意乱,“我是钻石。”但是这些钻石和石墨是我们呼出的二氧化碳中相同的碳。例如,如果你今天呼出的碳超过2000克拉,你认为它值得呼吸。不同的结构导致不同的性能。我们可以看到,金刚石在图中是三维结构,而石墨在二维平面上具有强的化学键连接,并且层之间的化学键很弱,称为范德华力[1],这导致它们的性能有很大的差异。今天我们要讨论的是纳米碳材料,让我们来看看材料的结构对纳米结构中材料的性能有什么影响。为什么维生素碳赢得了诺贝尔奖,而一维碳却输了?第一,尺寸碳,也称为碳60。我们可以看到,它是一个笼子结构,它是五角大楼和六角形的组合,非常类似于足球,所以它有另一个名字叫“足球乙烯基”。如果我们在足球的每个关键点都放一个原子,我们就能创造出和碳60完全一样的分子结构。1986年,两名美国科学家和一名英国科学家发现了这种分子,并获得了诺贝尔化学奖。富勒烯[2]的发现加深了我们对宇宙中含碳分子、碳的演化以及对芳香物质[3]的理解。碳纳米管是一维碳材料,可以看作是直径约1纳米的管状结构。这种物质是由日本国家核子研究中心的科学家池南·Ijima发现的。1991年,由于TEM技术的发展,他可以清楚地看到这样的管状结构。这种碳纳米管在我们制造纳米材料领域非常重要,因为它将纳米材料带入了普通人的视野,而且在科学界掀起了纳米材料的高潮。纳米管有许多奇怪的性质。我们似乎认为碳60已经获得了诺贝尔奖。碳纳米管也应该获得诺贝尔奖吗?但是他没有。当然,诺贝尔委员会有不同的考虑,但是有一个原因可能让人们有点担心。当成脑一岛发现这根碳管时,很多人跳出来说我很久以前就找到了,我错了。许多研究小组都是这样跳出来的,最有名的应该是前苏联的科学家,他们在1952年看到了碳纳米管的影子。但是,因为他们是用俄语写论文,不能被世界其他国家阅读,而且因为苏联当时没有与其他国家进行过多接触,他们错过了宣传这一科学研究的机会。当人们为此争论不休时,科学家们突然在一把由来已久的大马士革钢刀中发现了碳纳米管,而这项技术当时就消失了。大马士革钢刀存在于公元3世纪到17世纪,现在我们已经恢复了这项技术,在那里我们还发现了碳纳米管,它们具有增强和增韧作用。大马士革刀很锋利。我发现的英文信息是这样描述的。落在大马士革钢刀上的头发将被剪成两半。如果你用大马士革钢刀切步枪的枪管,你可以把它切掉。这和我们中文对刀速的描述不一样吗?吹头发,剃头发,像泥巴一样熨铁。为什么碳纳米管出现在大马士革钢刀中?这不难理解,因为我们在炼铁和炼钢过程中有碳,它提供了碳源,而有铁,铁是催化剂,在今天的碳管讨论中,也大量使用铁。因此,在当时,在某些工艺条件下生产的大马士革钢刀含有碳纳米管也就不足为奇了。用透明胶带从石墨烯中分离出石墨烯。当谈到二维材料时,我相信许多刘慈欣的粉丝都认为三维物体中的二维箔片是一种能使三维世界崩溃并具有无限力量的尺寸打击武器。我们欣赏大刘丰富的想象力。但是我们也知道,想象力必须建立在一些现实的基础上,比如想象一只有翅膀的、飞翔的熊,因为我们看到了一只熊和翅膀,所以我们把它们放在一起创造新的想法。我也想知道,大柳是否受到二维材料石墨烯的启发,并想出这样的结构。石墨烯的结构是单层石墨。石墨对我们大家都很熟悉。但是这种石墨烯和石墨一样普通吗?实际上不是。石墨和石墨是分离的,我们承认这一点。然而,石墨烯为我们开辟了广阔的视野,告诉我们材料可以以二维形式存在。作为一名材料科学家,我们受到的教育是,二维材料,一层原子,在热力学上是不稳定和崩溃的。这就像说一张纸有两个足球场那么大。除非穿上什么东西,否则它不能自给自足。2014年,来自曼彻斯特大学的两位科学家,Geim博士和Novoselov,他们把石墨烯从石墨中分离出来,为我们开辟了一个新的视野。到目前为止,我们已经发现了数千种二维材料。他们拿了一条带子,然后重复地粘上一块石墨。因为它是层状结构,一层一层地被分开,最终会发现一些单层结构,然后把它转移到基座上,你可以研究它。“黑金”石墨烯有多强?1。机械性能。石墨烯的力学性能非常强。机械拉伸强度达到130GPa,是钢铁的100倍。理论计算表明,如果石墨烯的有效键合厚度达到1毫米,它就能够支撑大象的重量。它的机械性能来自哪里?正如我们开始说的,结构决定自然。它是一个二维结构,碳和碳之间的链很强。每个碳周围有三个邻居。由这三个邻体形成的键非常短且牢固,支持了石墨烯的高力学性能。2。电气性能。它的电性能值得一提。其电子迁移率可达20万cm^2/V,是硅的100倍。什么是电子迁移率?这就是电子在这种材料中运行的速度。材料的电导率取决于两件事:电子在内部运行的速度,以及有多少电子在内部运行。你可以想象高速公路,高速公路的速度限制,汽车能跑多快,有多少车在高速公路上跑决定了高速公路的运营。因此,在电子器件的制造中,我们常常希望具有高的容量,这可以加速器件的操作。其次,它的电流密度很强。例如,我们有一个共同的导体,如铜线,我们接通电流,如果电压增加,电流增加到一定程度,电流就会烧断铜线。但是石墨烯具有很高的抗燃能力,可以达到铜的一百万倍!如果我们用石墨烯作导体,可以大大减轻导体的重量。最近的发现是,在双层石墨烯中,如果你旋转一个角度,它会有一些超导现象。然而,它的电性能有一个缺点,即它的零能带隙,能带[4]与半导体的存在有关。如果这个带子合适,这是一个好的半导体。因为石墨烯是零能带,所以它不是半导体,它是金属的特性,所以很难制造电子器件。科学家们正在克服这些零能带带来的问题。三。密度大,比表面积大。它的石墨烯是非常致密的材料,因为它的键很短,也就是说,原子之间的距离很近,只有0.142纳米。也就是说,没有比氢或氦小的分子或原子能通过它。这是一种很好的阻隔材料。比表面积可达2630m^2/g,即比表面积很大。在中间图中,我们使用石墨烯来形成泡沫结构。它可以自己支撑,但是非常非常轻。我们把它放在狗尾草上。它似乎没有任何结构变化。我们可以使用这些石墨烯来制造一些过滤材料,我们可以通过在它们上开小孔来分离不同的气体或液体,我们可以控制它们的大小。例如,海水中的盐、空气中的氧和氮的分离。4。石墨烯的光和热性质属于光性质,因为只有一个碳源,只有一层碳原子,所以它的透射率可以达到97.7%,也就是说,一层碳原子可以吸收2.3%的光。这个是大的还是小的?它实际上是一个非常强的光吸收,大约50层石墨烯,我们可以完全吸收光。这对于其他材料来说是困难的。但是石墨烯可以。我们只使用一层石墨烯,这使得它非常有用。石墨烯具有很好的导热性。目前,有两种主要的导热方式。一种叫做电子热传导,意思是如果一种材料导电性很好,它通常导电性很好,比如铜和铝。但是还有一种材料的热传导不依赖于传导。它依赖于声子热传导,即声波在石墨烯中的传播速度可以达到22km/s,因此具有很好的热导率。如何合成石墨烯?石墨烯是以两种形式合成的。一种是生长大面积石墨烯薄膜,碳在其上形成薄膜。原料通常是烃类气体,如甲烷。在这张图片中,你可以看到中间有一个蓝色代表一个碳原子,一个红色代表氢原子,一个带有四个氢的碳带。当它落到表面上时,由于催化而分解,氢气消失,留下碳在它上面重组,形成这样的石墨烯结构。我们把它放在炉子里,在高温下,通过成对卷绕,它可以制成小的单片或者大的石墨烯薄膜。还有一种非常有用的石墨烯材料叫做石墨烯粉末。既然石墨烯是一层石墨,我们怎么能把它单独拿出来呢?以石墨粉为原料,用氧化石墨粉或插层石墨粉在层间插入其他物质,然后将其分离,得到石墨烯粉末。然而,在这个过程中存在一个问题。在石墨烯的插层氧化过程中,会产生大量的缺陷,降低石墨烯的某些性能。在实验室中,我们通过化学气相沉积将甲烷气体在高温下引入铜溶液中,在铜表面形成气泡和石墨烯。在气泡上升的过程中,我们带着这些石墨烯飞出,然后气泡破裂,我们收集石墨烯。石墨烯是“新材料之王”吗?1。水处理。因为石墨烯可以达到很高的疏水性,正如我们在中间的图片中所看到的,一滴水完全变成一滴水。左边是这种性质的水处理机,它可以分离水、油和固体悬浮物。在图片的最左边是水、油和悬浮固体的混合物。然后它进入机器并在中间分离出纯净水或更清洁的处理水。右边是橙子油,另一边是固体颗粒。在右边,我们看到它可以做成一整台机器,这样我们就可以真正处理水了。2。防腐蚀是桥梁工程和海洋工程中的一项重要内容。石墨烯防腐涂料是一种性能优良的重防腐材料,其内部结构复杂,呈迷宫状。腐蚀性离子穿透迷宫结构需要更长的时间,因此它们腐蚀得越久。三。吸附作用。我们知道烟雾是一个大问题,它对我们的健康有很大的影响。现在市场上除了石墨烯,还有最好的防雾和雾面罩。它利用静电来吸引小颗粒,但是它只能持续一个小时,因为在我们吸入和排出的水蒸气的过程中,静电被中和,所以它失去了作用。石墨烯掩模允许气体通过它们循环移动一个大的比表面积。由于比表面积大,它们可以吸收这些颗粒,并且可以长时间使用而不会失效,长达200小时。这些石墨烯面罩现在市场上有货。4。生物示踪剂:随着人们生活水平的提高,健康将越来越受到重视。癌症是我们非常关心的一种疾病。从癌细胞激活癌细胞生长成癌可能只需要几个星期。为了治疗它,我们需要监测它。我们需要看到它,看看它是如何分裂的。石墨烯形成的示踪原子非常好。让我们看看左边的图片。用石墨烯看到的癌细胞是绿色的。它不会污染正常的细胞。我们可以看到癌细胞是如何变化的。我们可以看到视频中的癌细胞是如何分化的,也就是癌细胞如何实时分裂10秒钟。两个细胞在一起时很快就变成四个。有很多种不同的生物标志物,但是石墨烯有什么好处呢?石墨烯的寿命很长,普通的示踪材料从大约两小时到一天不能发出足够的光,我们无法看到这些癌细胞是如何进化的。石墨烯是一种具有短键和惰性化学性质的超稳定结构。它能够将示踪剂的长度从两周维持到一个月,大大方便了疾病的诊断和跟踪。5。红外成像石墨烯的红外吸收光谱相对平衡,所以很少有材料能达到这样的效果。中红外和中远红外都可以同时成像。我们可以看到两张黑白照片,其中一人拿着一个电烙铁。电烙铁发出的光温很高,大约三四个百度。这是中红外波段,人体发射远红外波段。这种石墨烯的红外成像允许两个波段同时出现,或者只出现一个波段,上面只是看到烙铁,下面是看到人和烙铁。我们可以同时监控人和引擎。热管理在现实生活中也有应用,如采暖地板、采暖服等。接下来,我想谈一些想法。石墨烯有很多奇妙的特性。它可以被称为“新材料之王”吗?我觉得太早了。因为要成为国王,它必须在这个时代拥有控制和支配权。它一定是一种对我们的生活影响最大的材料。事实上,在人类历史上这样的材料并不多。第一个是石头,因为它命名了一个时代——石器时代,它是我们最早使用的工具之一,然后是青铜器时代,然后是钢,然后是塑料、硅和金。因为黄金奠定了所有国家的货币基础,使我们有可能做生意。我认为目前只有这些材料可以称之为“王”,而石墨烯目前不能称之为“王”。将来它会成为国王吗?我想还是有可能的。这取决于该行业将向哪个方向发展。现在我们可以暂时称石墨烯为“王储”。目前,石墨烯在中国发展迅速。我们在什么阶段看到新技术的发展?这是从一开始到高期望,然后走下去。它必须下降,这是基本的规则,在到达低点后,它开始稳定上升,然后到达平台。只有这样,我们才能真正进入我们的生活。不同的人对石墨烯将走向什么阶段有不同的看法。一些人说它正在下降,另一些人说它已经到了一个低点,还有人说它已经开始上升。我认为石墨烯是值得我们期待的,并且它肯定会在未来作出巨大的贡献,因为石墨烯的性质是真实的;那些数据是真实的数据;它具有高的机械性能、电性能和各种化学性能。因此,石墨烯的前途是光明的。范德华力,以荷兰物理学家约翰斯·范德华命名,是指化学中分子间的非定向、不饱和和弱相互作用。范德华力是一种电吸引力,但它比化学键或氢键弱得多,能量通常小于5kJ/mol,范德华力与分子大小成正比。富勒烯:完全由球形、椭球形、柱状或管状碳组成的中空分子。富勒烯在结构上与石墨非常相似。石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成的。富勒烯不仅包含六元环,而且包含五元环,偶尔包含七元环。三。芳香族化合物是一类具有苯环结构的化合物。其结构稳定,不易分解,毒性强。它们会造成严重的环境污染,对人体危害极大。芳香化合物是“芳香的”。4。能带理论是20世纪初量子力学建立之后发展起来的一种近似理论。定性地阐明了晶体中电子运动的一般特征,进一步解释了导体、绝缘体和半导体之间的区别,解释了晶体中电子的平均自由程。打造“发现创造力”的创新文化品牌,关注科学、经济、文化领域的前沿话题,通过戏剧式的讲座和经验,将创新理念和实践带给中国和世界。欢迎下载“创建应用程序”。

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