石墨烯——Geim教授和Novoselov教授用膠帶粘出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

石墨烯——Geim教授和Novoselov教授用膠帶粘出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

我們幾乎每個(gè)人都用過(guò)膠帶，或是用來(lái)把東西粘在一起，或是寫(xiě)錯(cuò)字了用膠帶粘一下以便更正，或許我們還會(huì)用膠帶來(lái)做出很多新鮮的花樣，但英國(guó)曼切斯特大學(xué)的Geim教授和Novoselov教授卻用膠帶粘出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這究竟是一種怎樣的體驗(yàn)？



一、膠帶粘出來(lái)的石墨烯

事情發(fā)生在2004年，兩位教授用膠帶粘在石墨（鉛筆芯的主要材料就是石墨，不是鉛哦——）上，然后撕下來(lái)，發(fā)現(xiàn)膠帶上粘上了一層薄薄的石墨片，這本沒(méi)有什么新奇的，但兩位教授突發(fā)奇想，拿著第二片膠帶去粘第一片膠帶上殘留的石墨薄片，此時(shí)兩片膠帶粘在了一起，然后再把兩片膠帶撕開(kāi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠帶上殘留的石墨片變薄了。這時(shí)候很多人會(huì)覺(jué)得無(wú)聊，不就是撕膠帶嘛，而這兩位教授發(fā)現(xiàn)石墨片變薄后又拿著第三塊膠帶來(lái)粘第二塊膠帶上的石墨，再用第四膠帶來(lái)粘三片膠帶……就這樣一次又一次的粘膠帶，撕膠帶，最終兩位教授得到了薄得不能再薄的微小的石墨片，它僅僅只有一層原子的厚度，對(duì)，它就是單層的石墨，叫做石墨烯。

自2004年首次成功剝離出石墨烯以來(lái)，其令人驚嘆的材料性質(zhì)引起了近十多年來(lái)大量科學(xué)家的廣泛研究，這兩位教授也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

頒獎(jiǎng)詞如是說(shuō)（節(jié)選）：

“我們對(duì)石墨烯了解已有很長(zhǎng)一段時(shí)間了，早在1947年菲利普·華萊士便計(jì)算了石墨烯中電子運(yùn)動(dòng)情況，然而很少有科學(xué)家認(rèn)為我們可以分離出單層石墨烯并測(cè)量其中的電子運(yùn)動(dòng)狀況。因此，今年的物理學(xué)獎(jiǎng)更顯得令人驚訝，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫借助特殊的方法成功分離出薄層石墨烯，并在不同顯微鏡的幫助下發(fā)現(xiàn)有些片層是單原子級(jí)厚度。他們?cè)谑┓矫娴摹巴黄菩詫?shí)驗(yàn)”使得利用石墨烯生產(chǎn)新物質(zhì)和新型電子產(chǎn)品成為可能。”

在單層石墨烯誕生以后，很多科學(xué)家都在積極探索能夠生產(chǎn)更大規(guī)模和更高質(zhì)量的石墨烯，除了用膠帶粘以外，現(xiàn)在還有很多其它的石墨烯制備方法，如微機(jī)械剝離法、化學(xué)剝離法、化學(xué)氣相沉積法等。



二、石墨烯緣何迅速走紅，風(fēng)靡全球？

那么，石墨烯的性質(zhì)到底是有多強(qiáng)大，以至于現(xiàn)在學(xué)物理的、學(xué)化學(xué)的、學(xué)材料的、電氣工程的、機(jī)械工程的甚至學(xué)生物的都在研究它？這跟石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。石墨烯是由碳原子組成的，碳原子之間以正六邊形的排布方式形成化學(xué)鍵，這種碳原子分布結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯很多得天獨(dú)厚的性質(zhì)。

第一，石墨烯具有超高的電子遷移率（對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度起著非常重要的作用），是硅（現(xiàn)在的CPU（電腦中央處理器）材料）的200倍。

第二，石墨烯有著目前已知材料中最高的熱導(dǎo)率（決定導(dǎo)熱性能），它熱導(dǎo)率是銀的13到15倍，是鐵的80到90倍，是水的8000到9000倍。

第三，石墨烯的斷裂強(qiáng)度極高，是一般鋼鐵的200倍。

除此之外，石墨烯還有著很好的透光性和柔韌性，這些超凡的性能使得石墨烯成為了當(dāng)之無(wú)愧的明星材料。



三、不負(fù)眾望，石墨烯正在改變我們的生活

那有了這些卓越的性質(zhì)之后，石墨烯可以用在什么地方呢？

石墨烯有可能成為代替硅的超級(jí)材料，將有希望促進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的發(fā)展。我們知道硅是一種半導(dǎo)體，它是制造電腦CPU的材料。電腦及其硬件的尺寸在不斷縮小，這得益于芯片越做越小。但由于硅材料本身的限制，理論上5納米（1納米等于千分之一微米，十億分之一米）是它的物理極限，而事實(shí)上有限于工藝，以硅為基本材料的芯片只能做到7納米就不能再小了，否則會(huì)損失相應(yīng)的性能（如漏電）。而得益于超高的電子遷移率，石墨烯這個(gè)新興的明星材料將有可能在微型電腦硬件中補(bǔ)償硅的短板，將芯片做得越來(lái)越小，電子產(chǎn)品將越來(lái)越輕便，運(yùn)行能力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大。

石墨烯電子器件，白色比例尺為2微米

石墨烯優(yōu)越的電子傳輸性能使得它還能應(yīng)用在電池中，石墨烯在鋰電池（廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電腦等電子設(shè)備中）中已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用，它可以作為電極的添加劑，增加電極的導(dǎo)電性，從而加快充電速度。此外，由于石墨烯具有很好的透明性，這使得它在光電器件中也有著很好的應(yīng)用前景，比如現(xiàn)在太陽(yáng)能電池的很多部分就用到了石墨烯，電子產(chǎn)品的柔性顯示屏也多使用石墨烯。

另外，石墨烯優(yōu)越的電子傳輸性能還被應(yīng)用到神經(jīng)傳導(dǎo)、類腦計(jì)算和人工智能研究和應(yīng)用中。而它優(yōu)異的力學(xué)性能使得它在復(fù)合材料中有些廣闊的應(yīng)用前景，超強(qiáng)石墨烯復(fù)合材料可以作為飛機(jī)的超薄超輕材料。

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