號稱“最強(qiáng)材料”,問世16年,為什么石墨烯還沒有席卷全球?
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21世紀(jì)，充滿了奇跡的時(shí)代，全世界局勢穩(wěn)定，人類的生活富足而美好，很多人都認(rèn)為21世紀(jì)會是人類科學(xué)飛速發(fā)展的一個(gè)百年，但是21世紀(jì)已經(jīng)過去了五分之一，我們的生活雖然有很大的改變，但是人類的科學(xué)似乎沒有太大的進(jìn)步，人類仍然在探索宇宙，試圖移民火星，可控核聚變?nèi)匀皇沁b遠(yuǎn)的50年，似乎一切都在改變，也似乎一切都沒有改變。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202007/415116.htm物理學(xué)已經(jīng)有80多年沒有根本性的突破，比起20世紀(jì)初連續(xù)不斷的巨大發(fā)現(xiàn)，21世紀(jì)過于沉寂，只有“弦理論”這個(gè)看似完美，實(shí)際上更像是空中樓閣的理論撐場面，很多人感嘆“物理學(xué)已死”，難道人類的科學(xué)發(fā)展真的陷入瓶頸了嗎？
答案當(dāng)然不是這樣，人類科學(xué)一直在有序且快速的發(fā)展，之所以很多年沒有重大突破的原因也很簡單，上個(gè)世紀(jì)眾多科學(xué)家的研究已經(jīng)足夠深入，關(guān)于相對論和量子力學(xué)的理論足夠人類研究很久，想要真正證實(shí)出一個(gè)“大一統(tǒng)”理論是不現(xiàn)實(shí)的事情，我們不可能每過一百年，就研究出一個(gè)顛覆性的理論，科學(xué)是需要不斷積累才能突破的。
那么拋開理論物理不談，21世紀(jì)對于人類來說，重大的發(fā)現(xiàn)有什么？在小編的心中“石墨烯”的發(fā)現(xiàn)和利用，或許是最近幾十年來，對人類來說至關(guān)重要的發(fā)現(xiàn)，但是距離石墨烯于2004被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)證實(shí)后到今天，已經(jīng)16年過去了，號稱顛覆世界的新材料“石墨烯”為什么直到今天還沒有席卷全球？
劃時(shí)代的“石墨烯”
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）他們發(fā)現(xiàn)，我們可以用一種特別簡單的方式，改變石墨的分子結(jié)構(gòu)，從而得到一種特殊的材料“石墨烯”，因?yàn)槭┑恼滟F，也被稱為“黑金”。
實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
這兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把石墨薄片粘在特殊的膠帶上，撕開膠帶后，就會有一層薄薄的石墨粘在了膠帶上，反復(fù)幾次后，就可以得到單層的石墨烯了，這就是獲得諾貝爾物理學(xué)獎項(xiàng)的“石墨烯微機(jī)械剝離法”。
簡單來說，石墨就是單層原子結(jié)構(gòu)的石墨，它很薄，所以叫石墨“烯，”因?yàn)槭┚哂星八从械膯螌臃肿咏Y(jié)構(gòu)，所以石墨烯具有其他材料無法擁有的特性，在被證實(shí)可以簡單的獲得后，引起了眾多科學(xué)家的注意，“石墨烯電池”“石墨烯涂料”甚至是“石墨烯面膜”，它成為了可以顛覆人類世界的“最強(qiáng)材料”。
石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa。
最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，在光、電、熱、力等方面具有優(yōu)異性能，可以說，任何領(lǐng)域可以用到石墨烯，它擁有的潛力非同想象，正是因?yàn)檫@種特性，才讓眾多科學(xué)家認(rèn)為，石墨烯足以顛覆世界。
為什么石墨烯“后勁不足”？
石墨烯性能良好，未來可應(yīng)用領(lǐng)域眾多，但是為什么十幾年過去了，關(guān)于石墨烯的口號喊得這么響，我們的生活中卻很少遇到石墨烯呢？甚至傳聞中的“石墨烯電池”也沒有出現(xiàn)呢？
首先石墨烯電池在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，石墨烯確實(shí)可以提高充電放電的速度，但是不能提升電池的容量，其次石墨烯和現(xiàn)代鋰電池工廠的并不兼容，同時(shí)石墨烯成本高昂，對于現(xiàn)在的廠商和用戶來說，石墨烯只會提高成本和價(jià)格，因此石墨烯電池技術(shù)是空中樓閣。
材料學(xué)對于人類來說十分重要，即使能源才是文明前進(jìn)的基石，可是沒有足夠強(qiáng)度的材料，我們也無法利用這些能源，例如“核聚變”和“反物質(zhì)”都需要高強(qiáng)度的材料，甚至在未來人類進(jìn)行星際旅行時(shí)，實(shí)現(xiàn)亞光速飛行也需要飛船用高強(qiáng)度的材料制造。
由此可見石墨烯的重要性，可是為什么石墨烯一直不能真正地進(jìn)入我們生活，代替大部分材料呢？對于石墨烯這樣的新材料來說，重要性是它可以替代的材料決定的，如果被替代的材料原本就被人類廣泛使用，那么石墨烯這種高強(qiáng)度性能良好的新材料出現(xiàn)，就可以讓原本被替代材料的領(lǐng)域得到進(jìn)步，石墨烯之所以十分重要，是因?yàn)槭┛蛇\(yùn)用范圍很廣。
全世界石墨儲存量大約為15億噸，而我國有石墨烯儲存量10億噸以上，科學(xué)家認(rèn)為全世界百分之70以上的石墨礦石都在我國，因此關(guān)于石墨烯的研究利用對于我們十分關(guān)鍵。
石墨烯沒有大面積普及的原因只有一個(gè)“高昂的生產(chǎn)成本”，即使這種新材料的性能多么優(yōu)秀，但是它的生產(chǎn)成本過高的話，是無法大面積取代原有材料的，并且石墨烯雖然已經(jīng)出現(xiàn)十幾年，但是對于石墨烯研究更多還是停留在試驗(yàn)階段，大部分國家關(guān)于石墨烯的研究都不能進(jìn)入真正的量產(chǎn)階段。
石墨烯的火爆是因?yàn)閮晌豢茖W(xué)家依靠這個(gè)研究獲得了諾貝爾獎才讓世人如此關(guān)注，一種新材料的出現(xiàn)是需要很長時(shí)間研究深入，以及很長一段時(shí)間留給市場適應(yīng)接受的，就像是可控核聚變一樣，我們都知道可控核聚變可以改變我們的生活，讓人類進(jìn)入清潔能源的全新時(shí)代，但是關(guān)于核聚變的實(shí)驗(yàn)也有一定危險(xiǎn)性，即使在未來科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了可控核聚變，也需要很長一段時(shí)間才能普及并且投入使用。石墨烯確實(shí)是一種可以改變世界的材料，但是我們還無法大量生產(chǎn)它，隨著研究的深入，這個(gè)問題可以被我們解決。
為什么石墨烯這么強(qiáng)
那么簡單的了解石墨烯后，相信大家心中會有這樣一個(gè)疑問，為什么用膠帶把石墨不斷粘貼后，薄薄的一層石墨烯反而強(qiáng)度更高了呢？
其實(shí)這個(gè)問題也十分簡單，石墨烯是由碳原子構(gòu)成的，而碳在我們的生活中十分常見，生活中的“石墨”和“金剛石”都是由碳原子構(gòu)成的，但是這兩種物質(zhì)的強(qiáng)度和外在表現(xiàn)卻相差甚遠(yuǎn)，這是因?yàn)闃?gòu)成這兩種物質(zhì)的碳原子排列方式不同。
從結(jié)構(gòu)上來看，金剛石的原子排列更具有穩(wěn)定性，而石墨則是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，每層原子之間是平行的，這個(gè)時(shí)候科學(xué)家突發(fā)奇想，既然石墨這種多層結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，那么我們從石墨中抽出單層的石墨，不就可以得到一種高強(qiáng)度的新材料了嗎？就這樣，石墨烯誕生了，對比石墨來說，石墨烯只有單層的碳原子構(gòu)成，像是一種“二維材料”，這樣的構(gòu)造賦予了石墨烯超高的強(qiáng)度，并且石墨烯足夠薄，可以在很多領(lǐng)域運(yùn)用。
很多時(shí)候，真相和突破距離我們很近，靈光一閃后的簡單實(shí)驗(yàn)就可以引導(dǎo)出一個(gè)震撼世界的巨大發(fā)現(xiàn)，科學(xué)從來沒有停滯，人類永遠(yuǎn)都在進(jìn)步！
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