石墨烯作为一种新型材料备受追捧,很多不同领域的产品制造商都在想尽办法蹭石墨烯的热度,那么到底什么是石墨烯呢,这种材料有何特别之处呢,那些蹭热度的产品是不是真的呢?
在整个宇宙之中,所有的物质都是由不同的元素所构成的,但同一种元素却并非只能构成同一种物质,元素通过不同的结构进行组合就能够形成不同的物质。以碳元素为例,当一个碳原子周围有四个碳原子,它们以共价键的方式相结合,且周围的四个碳原子与中心的碳原子形成一个正四面体结构的时候,就组成了一种物质,我们叫它钻石。因为碳原子之间是以很强的共价键结合的,所以钻石的硬度很高,又被称为金刚石。钻石的硬度很高,但另一个同样由碳原子所组成的物质却十分光滑,它就是石墨。
当碳原子通过化学键结合成诸多正六边形的结构,就组成了一个层,很多层叠在一起就组成了石墨。
在石墨中,同一层的碳原子依靠化学键结合,而层与层之间却没有化学键,它们是依靠原子间的弱碱性电性吸引力结合在一起的,所以同一层碳原子的结合非常牢固,而层与层之间则是可以滑动的,而这种层与层之间的滑动就是石墨光滑特性的根源。那么什么是石墨烯呢?很简单,石墨烯就是单层的石墨,如果将石墨的一层结构单独拿出来,那就是石墨烯。
石墨烯的发现是在2004年,而在此之前,科学家们一直断定类似于石墨烯的物质是不会存在的,为什么呢?原因很简单,我们身处在一个三维空间之中,所有的事物都是三维结构的,像石墨烯这种二维结构的物质不可能存在于三维空间之中。
一张纸是不是二维结构呢?当然不是,纸是三维结构物质,它是立体的,拥有长宽高,只不过高度,也就是厚度很薄而已。
但石墨烯就不同了,它基本上可以说是一种二维结构物质,石墨烯就是单层石墨,它的结构是平面的,厚度为一个原子,那么这一个原子到底有多厚呢?我们知道,纳米这个单位是很小的,一纳米就等于10∧-9米,而单层石墨的厚度为0.355纳米,很薄很薄,薄得没有办法再薄。
二维结构的物质无法存在于三维空间之中,这是一个常识,但有人就偏偏不信邪。这两个不信邪的人,一个叫做安德烈·海姆,另一个叫做诺沃肖洛夫,他们都来自于英国曼彻斯特大学。这两个人就想啊,一定有什么办法能够获得单层的石墨,毕竟石墨的结构具备这种潜力,同层原子的结构牢固,而层与层之间却没有化学键相连。
那么怎么能把单层石墨弄出来呢?先别想那么多,先尽量把石墨弄薄再说,于是他们采用了一个非常简单的办法,就是用胶条粘。
当我们在纸上写错字的时候,就会用胶条把错字粘下来,这种技术早在三四十年以前就出现了,而我们粘下来的其实是纸张的表面一层。胶条能够粘下纸上的表层,自然也能粘下石墨,于是一层薄薄的石墨被粘下来了,不过此时的石墨距离单层石墨还有十万八千里,没关系,再粘,用另一个胶条把粘有石墨的胶条再粘一下,就又得到了更薄的一层石墨,如此往复,最终就获得了单层石墨,也就是石墨烯。
别看发现石墨烯的过程似乎并不太过复杂,但这一发现却斩获了2010年的诺贝尔奖,原因就是人类首次在三维空间中发现了二维结构物质。
那么石墨烯这种材料到底有何特别之处呢?
石墨烯具有很多优点,由于碳原子之间通过化学键结合相当牢固,所以石墨烯是一种又薄强度又大的物质,且具有很好的拉伸性。再者,石墨烯的导电性能和导热性能都十分优异,金属具有良好的导电性,而在金属之中导电性能最好的就是银,而石墨烯的导电性比银还要好。
石墨烯有如此众多的好处,在实际应用中又能做些什么呢?相必大家一定都听过石墨烯电池,为什么要用石墨烯做电池呢?我们现在很多电子设备中所使用的电池都是锂电池,锂电池的缺点就是电阻大,所以如果电流过大,电池就会发热烧毁,因为给手机充电必须控制电流,控制了电流,充电速度自然就慢。而石墨烯电阻很低,导电性很好,如果用石墨烯制作电池,那么就可以用很大的电流来进行充电,那充满电就是分分钟的事了。不过包括石墨烯电池在内,关于石墨烯在各个领域的实际应用还尚需时日,从研制到研制成功,从研制成功到投入实际应用,这个过程还是很长的。
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