號稱(chēng)“最強材料”,問(wèn)世16年,為什么石墨烯還沒(méi)有席卷全球?
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21世紀，充滿(mǎn)了奇跡的時(shí)代，全世界局勢穩定，人類(lèi)的生活富足而美好，很多人都認為21世紀會(huì )是人類(lèi)科學(xué)飛速發(fā)展的一個(gè)百年，但是21世紀已經(jīng)過(guò)去了五分之一，我們的生活雖然有很大的改變，但是人類(lèi)的科學(xué)似乎沒(méi)有太大的進(jìn)步，人類(lèi)仍然在探索宇宙，試圖移民火星，可控核聚變仍然是遙遠的50年，似乎一切都在改變，也似乎一切都沒(méi)有改變。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202007/415116.htm物理學(xué)已經(jīng)有80多年沒(méi)有根本性的突破，比起20世紀初連續不斷的巨大發(fā)現，21世紀過(guò)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(chǎng)面，很多人感嘆“物理學(xué)已死”，難道人類(lèi)的科學(xué)發(fā)展真的陷入瓶頸了嗎？
答案當然不是這樣，人類(lèi)科學(xué)一直在有序且快速的發(fā)展，之所以很多年沒(méi)有重大突破的原因也很簡(jiǎn)單，上個(gè)世紀眾多科學(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(lèi)研究很久，想要真正證實(shí)出一個(gè)“大一統”理論是不現實(shí)的事情，我們不可能每過(guò)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(kāi)理論物理不談，21世紀對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，重大的發(fā)現有什么？在小編的心中“石墨烯”的發(fā)現和利用，或許是最近幾十年來(lái)，對人類(lèi)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的發(fā)現，但是距離石墨烯于2004被科學(xué)家發(fā)現證實(shí)后到今天，已經(jīng)16年過(guò)去了，號稱(chēng)顛覆世界的新材料“石墨烯”為什么直到今天還沒(méi)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，我們可以用一種特別簡(jiǎn)單的方式，改變石墨的分子結構，從而得到一種特殊的材料“石墨烯”，因為石墨烯的珍貴，也被稱(chēng)為“黑金”。
實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，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，把石墨薄片粘在特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶后，就會(huì )有一層薄薄的石墨粘在了膠帶上，反復幾次后，就可以得到單層的石墨烯了，這就是獲得諾貝爾物理學(xué)獎項的“石墨烯微機械剝離法”。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，石墨就是單層原子結構的石墨，它很薄，所以叫石墨“烯，”因為石墨烯具有前所未有的單層分子結構，所以石墨烯具有其他材料無(wú)法擁有的特性，在被證實(shí)可以簡(jiǎn)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(lèi)世界的“最強材料”。
石墨烯是已知強度最高的材料之一，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1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。
最薄、最堅硬的納米材料，在光、電、熱、力等方面具有優(yōu)異性能，可以說(shuō)，任何領(lǐng)域可以用到石墨烯，它擁有的潛力非同想象，正是因為這種特性，才讓眾多科學(xué)家認為，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(lái)可應用領(lǐng)域眾多，但是為什么十幾年過(guò)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(méi)有出現呢？
首先石墨烯電池在技術(shù)上很難實(shí)現，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，其次石墨烯和現代鋰電池工廠(chǎng)的并不兼容，同時(shí)石墨烯成本高昂，對于現在的廠(chǎng)商和用戶(hù)來(lái)說(shuō)，石墨烯只會(huì )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(lèi)來(lái)說(shuō)十分重要，即使能源才是文明前進(jìn)的基石，可是沒(méi)有足夠強度的材料，我們也無(wú)法利用這些能源，例如“核聚變”和“反物質(zhì)”都需要高強度的材料，甚至在未來(lái)人類(lèi)進(jìn)行星際旅行時(shí)，實(shí)現亞光速飛行也需要飛船用高強度的材料制造。
由此可見(jiàn)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(lái)說(shuō)，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(lèi)廣泛使用，那么石墨烯這種高強度性能良好的新材料出現，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，是因為石墨烯可運用范圍很廣。
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(méi)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(guò)高的話(huà)，是無(wú)法大面積取代原有材料的，并且石墨烯雖然已經(jīng)出現十幾年，但是對于石墨烯研究更多還是停留在試驗階段，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。
石墨烯的火爆是因為兩位科學(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，一種新材料的出現是需要很長(cháng)時(shí)間研究深入，以及很長(cháng)一段時(shí)間留給市場(chǎng)適應接受的，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(lèi)進(jìn)入清潔能源的全新時(shí)代，但是關(guān)于核聚變的實(shí)驗也有一定危險性，即使在未來(lái)科學(xué)家實(shí)現了可控核聚變，也需要很長(cháng)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(wú)法大量生產(chǎn)它，隨著(zhù)研究的深入，這個(gè)問(wèn)題可以被我們解決。
為什么石墨烯這么強
那么簡(jiǎn)單的了解石墨烯后，相信大家心中會(huì )有這樣一個(gè)疑問(wèn)，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度更高了呢？
其實(shí)這個(gè)問(wèn)題也十分簡(jiǎn)單，石墨烯是由碳原子構成的，而碳在我們的生活中十分常見(jiàn)，生活中的“石墨”和“金剛石”都是由碳原子構成的，但是這兩種物質(zhì)的強度和外在表現卻相差甚遠，這是因為構成這兩種物質(zhì)的碳原子排列方式不同。
從結構上來(lái)看，金剛石的原子排列更具有穩定性，而石墨則是結構穩定性較差，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構十分不穩定，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度的新材料了嗎？就這樣，石墨烯誕生了，對比石墨來(lái)說(shuō)，石墨烯只有單層的碳原子構成，像是一種“二維材料”，這樣的構造賦予了石墨烯超高的強度，并且石墨烯足夠薄，可以在很多領(lǐng)域運用。
很多時(shí)候，真相和突破距離我們很近，靈光一閃后的簡(jiǎn)單實(shí)驗就可以引導出一個(gè)震撼世界的巨大發(fā)現，科學(xué)從來(lái)沒(méi)有停滯，人類(lèi)永遠都在進(jìn)步！
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