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石墨烯:引发现代科技产业革命的先导者

作者: 清华总裁班 时间: 2014-11-19 09:45 来源:创新创业学院
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  2010年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈•杰姆和克斯特亚•诺沃消洛夫凭借一种仅由一层碳原子构成的薄片拿下了诺贝尔物理学奖。这种薄片就是石墨烯。
  石墨烯的出现惊艳了科学界!人们发现,它是目前世界上所有被发现的材料中,机械强度极高且单层结构最薄的一种。不仅如此,它还具有非同寻常的导电性能、导热性能、透光度以及良好的化学稳定,获得“神奇材料”的荣誉,这将会是引发现代科技产业革命的先导者!
  目前,深圳清华大学研究院也紧跟科技发展的步伐,正在努力推动石墨烯的产业化,扩展其应用领域。石墨烯可在手机行业、储能元件、集成电路与传感器产业、复合材料行业以及环保领域等获得突破。一场产生革命性的改变即将爆发!
  石墨烯到底有多神奇?
  
  图:石墨烯
  一、机械强度高。石墨烯的机械强度极高,这种强度相当于钢的100倍。
  二、单层结构薄。单层石墨烯的厚度仅0.335nm,其理论比表面积为2630㎡/g——换句话说,仅仅用1盎司石墨烯便可以铺满28个足球场!
  三、高导电性。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,其电阻率达到10-6Ω•m。
  四、高导热性。石墨烯的导热系数为5300w/v.s 。
  五、高透光性。石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。
  六、良好的化学稳定性。石墨烯能够浸在水中而不被氧化,这是其它导体材料做不到的。曼彻斯特的做客教授Dr. Aravind Vijayaraghavan说,这一特性使得电子设备与生物系统相整合成为可能。换句话说,你可以把一个石墨烯小插件嵌入你的身体,这个小插件就可以读懂你的神经系统或者跟你的细胞说话。
  七、成本低。Dr. Aravind Vijayaraghavan曾为石墨烯的“神奇”惊叹:“所有这些特质集中在一种材料上是极端罕见的。” 而这种极端罕见的“神奇材料”又十分便宜!近乎完美的性能,广泛而廉价的原材料来源,石墨烯势必将带来未来人类智能生活的巨大革新,其工业化和产业化因此备受关注。
  石墨烯从被发现到获得诺贝尔奖只用了短短六年的时间,由它开启的研究领域几乎每个月都有新兴的研究方向被开辟出来。2013 年1 月,欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,十年内提供10 亿欧元资助,将石墨烯研究提升至战略高度。IBM、苹果、三星等巨头都分别成立了石墨烯专题组,将其作为未来产品柔性化、智能化的核心研发材料。
  哪些行业即将迎来石墨烯革命?
  当时,因石墨烯获得诺贝尔物理学的两位科学家就预言:“石墨烯可能会改变人们的生活。”如今,现代科技的迅速发展,我们的生活方式已经得到了极大的改变,而石墨烯的出现,那些行业即将要被颠覆呢?以下五大行业是这场革命的重要领域!
  
  图:2011中国常州石墨烯产业发展高层论坛
  一、手机行业
  2012年,美国化学学会称在石墨烯方面的研究进步可以使手机之类的触屏电子设备像一张纸一样薄,而且可以叠起来放到口袋里。2013年,常州二维碳素公司已生产石墨烯手机触摸屏并将其应用在无锡爱维特公司生产的智能手机上。相比传统的用稀土原料制造的触摸屏,石墨烯触摸屏透明度好、灵敏度高,成本低,生产污染少。
  二、储能元件
  科学家曾经预言“能彻底改变21世纪的是石墨烯电池”。将石墨烯加入电池电极材料中,不但可以大大提高充电效率,而且能够提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计,也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。
  2011年,美国西北大学的研究者们制作出了一种电池,这种电池同时含有石墨烯和硅。研究者们称,这种电池能使手机续航时间超过一周,而充满电仅仅需要15分钟。
  三、集成电路与传感器产业
  石墨烯可制成石墨烯晶体管等。在2011年2月份刚刚出版的《科学》杂志上,IBM的研究人员展示了一种由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管(FET),其截止频率可达100吉赫兹(GHz),这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。这一成就是美国国防部高级研究计划局“碳电子射频应用项目”取得的重大进展,为研发下一代通信设备铺平了道路。
  石墨烯晶体管是将碳原子沉积成薄膜,并由传统的微影工具绘制出来的。该晶体管的原型由一片厚度仅为一个原子的碳薄片制成,它的开启和闭合可达到每秒一千亿次。100GHz的射频速度比任何最快的矽晶体管还要快十倍。
  四、复合材料行业
  石墨烯适用于制作防腐涂料、导电导热塑料等。2012年,科学家发布了石墨烯的一个最新研究成果:石墨烯可用于金属防腐,且是世上最薄的防腐蚀涂料。
  科学家将“石墨烯原子超薄”层作为一种可防止底层金属腐蚀的防护涂料来进行研究,他们在铜和镍中加入石墨烯或机械地将多层石墨烯转移到铜和镍表面,并采用电化学方法来观察其缓蚀情况。研究表明,两种方法都有很好的效果,但带多层石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比裸镍慢二十倍,而带四层转移石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比裸镍要慢四倍。该报告称,循环伏安法测量方法表明石墨烯涂料能有效地抑制金属氧化反应和氧化还原反应,通过电化学阻抗谱测量方法可以发现石墨烯本身并未受损,而下面的金属裂缝中则出现腐蚀现象。
  五、环保领域
  一方面,石墨烯作为一种生产材料,本身在生产过程中带来的污染非常少;另一方面,将石墨烯制成石墨烯海绵,可以吸油不吸水,便于油水分离。
  总结:
  深圳清华大学研究院培训中心从1997年办学至今,在深圳、珠海、广州、无锡、上海和北京等地开设了教学基地,已经培养了3万余名的社会精英,涉及了众多行业。作为中国首个“产学研资”一体化高端教育平台,我们会为学员企业积极对接研究院的创新孵化体系,嫁接最前沿的科研技术,共同推动石墨烯的产业化,扩展其应用领域。
  最近,已有学员和研究院共同成立了石墨烯应用研究中心,涉及以上五大行业的学员也在紧密地与我们沟通洽谈中,培训中心会极力为学员企业搭建石墨烯科技的平台,共同乘上现代电子科技领域革命的首班车!
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