大家都知道，石墨烯墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。而且作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。下面，小編特意為大家整理了2015年上半年使用石墨烯這種“神奇材料”轉(zhuǎn)化成的科技成果，讓我們一切看看“神奇材料”到底神奇在什么地方?
?、倏茖W(xué)家成功使用石墨烯3D打印出指定結(jié)構(gòu)
來自倫敦帝國學(xué)院材料系的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，由多名教授組成，并聯(lián)合來自Warwick大學(xué)、Bath大學(xué)和deSantiagode Compostela大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，找到了一種3D打印石墨烯的方法。
他們開發(fā)的這種技術(shù)主要基于FDM 3D打印。這里需要說明的是，要制造石墨烯對(duì)象需要精準(zhǔn)地復(fù)制出石墨烯六邊形圖案。為了做到這一點(diǎn)，倫敦帝國學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種“FDM線材”，這種線材含有混合了響應(yīng)型聚合物(可誘導(dǎo)觸發(fā)某種行為的聚合物)的石墨烯薄片。在這種情況下，石墨烯薄片的化學(xué)屬性發(fā)生了一定的變化，使其具有了適當(dāng)?shù)恼硰椥裕⒛芘c上下層石墨烯薄片結(jié)合在一起。
最初，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是3D打印完整的石墨烯結(jié)構(gòu)，而非復(fù)合材料。這在一個(gè)水基體系里似乎是能夠?qū)崿F(xiàn)的。但該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人EstherGarcía-Tu onBlanca解釋說，這實(shí)際上是不可能的?！笆┦欠浅Ｊ杷?，因此不可能直接配制到水基油墨中。研究人員因此使用了一種經(jīng)過化學(xué)改性的石墨烯——也被稱為石墨烯氧化物(GO)——來代替。GO可在水中進(jìn)行處理，并建立所需的結(jié)構(gòu)?！?/p>
②科研人員利用石墨烯使得電子皮膚研究取得系列進(jìn)展
科院物理所科研人員最近在石墨烯電子皮膚研究中取得系列進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)·納米》等雜志。
完美石墨烯是半金屬或者說是零帶隙半導(dǎo)體，在面內(nèi)具有極高的機(jī)械強(qiáng)度。這使其應(yīng)用于應(yīng)力傳感器件時(shí)主要面臨兩方面困難：一是應(yīng)力測(cè)量范圍不大;二是測(cè)量精度不夠高。
為此，中科院物理所博士生趙靜等在導(dǎo)師時(shí)東霞、張廣宇的指導(dǎo)下，提出了一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器，使應(yīng)力測(cè)量范圍超過30%;設(shè)計(jì)了一種基于隧穿效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器，使靈敏因子提高到500以上。
據(jù)了解，所生長的石墨烯不但具有納米尺寸，而且具備準(zhǔn)連續(xù)的特點(diǎn)。這種準(zhǔn)連續(xù)的納米石墨烯薄膜還可轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，制作柔性、透明的高靈敏度應(yīng)力傳感器，進(jìn)而應(yīng)用于人造電子皮膚等領(lǐng)域。同時(shí)，這種柔性的應(yīng)力傳感器具有良好的穩(wěn)定性，在經(jīng)過大于萬次的壓力測(cè)試后，其初始電阻沒有明顯變化。此外，這種石墨烯電子皮膚由于厚度小，可被黏在手指上檢測(cè)關(guān)節(jié)活動(dòng)。
③石墨烯基電容器首次應(yīng)用電動(dòng)自行車
“原來充電需要10個(gè)小時(shí)的電動(dòng)自行車，現(xiàn)在僅需要3~5分鐘就可以充滿電?！苯?，依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院采用石墨烯基復(fù)合電極材料路線，開發(fā)出容量可控的鋰離子電容器器件。以石墨烯基復(fù)合材料制備而成的鋰離子電容器首次在電動(dòng)自行車示范應(yīng)用。
“城際軌道1~2千米內(nèi)，新型電容器可滿足近距離運(yùn)行，在乘客上下車的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)快速充電?！鼻鄭u儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院副研究員韓鵬獻(xiàn)告訴記者，在啟動(dòng)時(shí)，可以瞬間加速，在制動(dòng)時(shí)，可以將能量加以回收儲(chǔ)存。大功率快速充放電是新型電容器的優(yōu)勢(shì)之一。
據(jù)韓鵬獻(xiàn)介紹，鋰離子電容器作為經(jīng)濟(jì)型環(huán)保電動(dòng)車電源，在需要大功率充放電場(chǎng)合，如高速鐵路、城際軌道交通中的啟動(dòng)電源、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)領(lǐng)域;在惡劣條件下，如極端寒冷條件時(shí)，作為電動(dòng)汽車、坦克車、軍用運(yùn)輸車的冷啟動(dòng)電源，可以發(fā)揮出鉛酸電池及鋰離子電池?zé)o法與其比擬的快速充放電優(yōu)勢(shì);在特殊場(chǎng)合下，可作為快速能量補(bǔ)給裝置，突顯其獨(dú)特作用。
④南理工用石墨烯砍掉LED燈高成本
南京理工大學(xué)近日發(fā)布，該校取得新型二維半導(dǎo)體研究進(jìn)展，有望制造出新型材料，大大降低LED燈生產(chǎn)成本。市面上能買到的LED燈，售價(jià)高于普通燈數(shù)十倍，使LED燈無法走入百姓家。南理工納米光電材料研究所曾海波所長介紹，取材普遍、成本低廉的石墨烯等新材料非常適合用于制造包括LED在內(nèi)的信息、能源器件。然而，這些材料的金屬、半金屬屬性成了其致命缺點(diǎn)。如何改變這些材料的屬性成了材料學(xué)界難以攻克的瓶頸。
“制造LED只是這種新材料應(yīng)用的一個(gè)方面，”曾海波介紹，該材料還可以取代硅，應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、手機(jī)芯片的制造上，“一旦應(yīng)用，谷歌眼鏡、智能健康手環(huán)等可穿戴電子設(shè)備不僅性能會(huì)突飛猛進(jìn)，而且會(huì)更輕薄小巧，價(jià)格更親民?！?/p>
⑤石墨烯墨水打印出射頻天線
研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不需黏合劑就可增加石墨烯墨水導(dǎo)電性的方法。他們首先進(jìn)行打印，然后干燥墨水，接下來用滾筒壓制，就像用壓路機(jī)反復(fù)碾壓新鋪的路面那樣。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓縮墨水的導(dǎo)電率提高了50倍，石墨烯層壓板也比以往摻了黏合劑的石墨烯墨水導(dǎo)電快兩倍。研究人員稱：“高導(dǎo)電性讓無線射頻輻射更有效率，這是試驗(yàn)中最令人興奮的方面?！痹诩埡退芰系攘畠r(jià)靈活的材料上印刷電子技術(shù)，意味著rfid標(biāo)簽等無線技術(shù)更加無處不在，從一頭牛到一個(gè)汽車零件，隨處都可應(yīng)用。
目前，大多數(shù)商用rfid標(biāo)簽由金屬鋁和銅組成，材料昂貴、制作過程復(fù)雜，而基于石墨烯的rfid標(biāo)簽?zāi)軌虼蠓冉档筒牧铣杀?。該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始計(jì)劃開發(fā)石墨烯rfid標(biāo)簽，以及傳感器和可穿戴電子產(chǎn)品了。
⑥科學(xué)家欲用石墨烯打造“人造肌肉”
在最近發(fā)表在《ACS Nano》雜志的一篇論文中，來自KAIST的研究團(tuán)隊(duì)采用一種性價(jià)比很高的石墨烯材料——疏水性激光蝕刻低氧化石墨烯紙(HLrGOP)來解決這個(gè)問題。而這種材料最近被用于超級(jí)電容(supercapacitors)的制作。通過降低相關(guān)的石墨氧化物成分，能夠獲得較為純凈的石墨烯，這種高純的石墨烯材料也被用于3D全息顯示方面。
盡管如此，在人造肌肉應(yīng)用中，主要開始考慮利用材料的疏水性。這種疏水性的石墨烯電極表面十分光滑，內(nèi)部也比較硬，這就能防止電極產(chǎn)生裂紋，內(nèi)部也有利于離子的傳輸。
在實(shí)驗(yàn)中，采用這種材料的人工肌肉具有更好的耐用性，損壞也更慢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞，不過他們稱相關(guān)的改進(jìn)工作還有很多。在韓科院設(shè)計(jì)的一個(gè)仿生機(jī)器人中，他們將使用這種新的人工肌肉。計(jì)劃這個(gè)機(jī)器人將是一部能夠在水中行走的水馬(waterstrider)或者是相關(guān)水黽科的昆蟲。
⑦石墨烯燈絲打造最薄燈泡
日前，一個(gè)由美國哥倫比亞大學(xué)、韓國首爾國立大學(xué)和韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院研究人員組成的國際團(tuán)隊(duì)首次展示了用只有一個(gè)碳原子厚度的石墨烯作為燈絲的芯片上可見光源：細(xì)條狀石墨烯燈絲與金屬電極相連，懸掛在基底上方，當(dāng)電流通過時(shí)燈絲就會(huì)受熱發(fā)光。
通過測(cè)量石墨烯發(fā)出的光的光譜，研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯的溫度達(dá)到2500攝氏度以上，足以明亮發(fā)光。論文第一作者、哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程系博士后研究員金永德(音譯)解釋說：“原子厚度的石墨烯發(fā)出的可見光線如此強(qiáng)烈，無需額外放大，肉眼便能看見?！?/p>
石墨烯達(dá)到如此高的溫度而不熔化基板或金屬電極，是因?yàn)槠渚哂幸粋€(gè)有趣特性：當(dāng)受熱時(shí)，石墨烯會(huì)變成熱的不良導(dǎo)體。這意味著高溫被局限在了中心的一個(gè)小“熱點(diǎn)”上。
該團(tuán)隊(duì)還通過制成大規(guī)?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)石墨烯發(fā)光器陣列，展示了這項(xiàng)技術(shù)的可擴(kuò)展性。
研究團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)一步探究這種裝置的性能，比如其開關(guān)的速度要多快才能創(chuàng)建光通信的比特位，同時(shí)也在開發(fā)將它們集成到柔性基板上的技術(shù)。
⑧新型石墨烯材料讓“光動(dòng)”飛行成為可能
南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料，可在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，或?qū)⒆尅肮鈩?dòng)”飛行成為可能。
目前，幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學(xué)驅(qū)動(dòng)，即通過噴射燃燒的化學(xué)物質(zhì)來獲得驅(qū)動(dòng)力，光直接驅(qū)動(dòng)飛行是科學(xué)界和航空界多年的夢(mèng)想。陳永勝教授等專家研制出的這種石墨烯材料，可以在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下有效驅(qū)動(dòng)飛行，這是迄今為止科學(xué)界第一次用光推動(dòng)一個(gè)宏觀物體并實(shí)現(xiàn)宏觀的驅(qū)動(dòng)。通過定量測(cè)量，這種石墨烯材料在光照條件下產(chǎn)生的力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。500公斤的負(fù)載，如果利用基于這種石墨烯材料制備的驅(qū)動(dòng)帆板，理論上獲得的驅(qū)動(dòng)力至少能使其達(dá)到0。09米每秒的加速度。
⑨石墨烯應(yīng)用可作為太空動(dòng)力來源
中國在石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域探索中獲得重大發(fā)現(xiàn)：石墨烯在光作用下的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)可作為新的太空動(dòng)力來源，作為一種新的發(fā)電裝置都成為了可能。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與論證，北京碳世紀(jì)科技有限公司(以下簡稱碳世紀(jì))展現(xiàn)了這項(xiàng)重大應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，并成功研制了該項(xiàng)裝置，充分展示了石墨烯材料的“光懸浮”現(xiàn)象。
石墨烯材料可將光能直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這標(biāo)志著石墨烯材料將成為一種新的動(dòng)力來源，這種動(dòng)力源將遠(yuǎn)高于光壓現(xiàn)象所產(chǎn)生的動(dòng)力源。可為星際探索、衛(wèi)星變軌等提供無盡的動(dòng)力。相關(guān)專家表示，這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)是由中國人首次發(fā)現(xiàn)，這將為人類探索未知世界開啟又一扇大門。
發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)重大應(yīng)用后，碳世紀(jì)迅速啟動(dòng)了該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的演示裝置的研制，經(jīng)過了近千次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)、論證，現(xiàn)有的應(yīng)用裝置已能夠全景展現(xiàn)石墨烯材料的“光懸浮”現(xiàn)象。
因在石墨烯方面的開創(chuàng)性試驗(yàn)而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的安德烈·海姆教授在2000年曾展示了利用磁性使青蛙克服重力實(shí)現(xiàn)懸浮的視頻。而今天，碳世紀(jì)使用光束將石墨烯材料懸浮起來并展現(xiàn)在世人的面前。
⑩無需3D眼鏡，用石墨烯制作出3D全息顯示屏
自從1977年“救我，歐比王，你是我唯一的希望”的星球大戰(zhàn)上映以后，我們就已經(jīng)開始?jí)粝胗幸慌_(tái)3D全息顯示屏。不過，要掌握這項(xiàng)技術(shù)并不容易。我們已經(jīng)看過有很多嘗試做近似3D顯示屏的例子，像全方位2D可見圖像，但目前科技界仍未完全制造出真正的3D。
一項(xiàng)來自澳大利亞的大學(xué)的新成就可能是最接近3D的了，通用碳基石墨烯是其關(guān)鍵?！半m然還有工作要完成，但3D影像的前景似乎是跳出屏幕……而且無需繁瑣笨重的配件，例如3D眼鏡?！备窭锓扑勾髮W(xué)工程學(xué)院的QinLi說到，他是管理該研究的碳結(jié)構(gòu)分析的人員。這款碳基顯示屏由來自格里菲斯大學(xué)以及斯維本科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)，基于DennisGabor的全息法，而Gabor還因此法在1971年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。
該團(tuán)隊(duì)打造了高分辨率3D全息顯示屏，視角寬達(dá)52度，其建造基礎(chǔ)是由折射光線的小像素組成的數(shù)字全息屏幕。
隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，石墨烯這種材料已經(jīng)開始被廣泛地應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活。由于石墨烯的特殊作用，未來將會(huì)更加大放光彩。我國石墨烯研究目前處于世界領(lǐng)先水平，并且在一步步將石墨烯材料應(yīng)用于為人類服務(wù)的偉大事業(yè)進(jìn)程中。
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