科普知識｜關(guān)于石墨烯的科普知識

什么是石墨烯？

石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進(jìn)行排布，相互連接，形成一個碳分子，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定；隨著所連接的碳原子數(shù)量不斷增多，這個二維的碳分子平面不斷擴(kuò)大，分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335納米，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一的厚度，1毫米厚的石墨中將將近有150萬層左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一種材料，并且具有極高的比表面積、超強的導(dǎo)電性和強度等優(yōu)點。上述優(yōu)點的存在是其擁有良好的市場前景。石墨烯是世上最薄也是最堅硬的納米材料 ，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/（m·K），高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15 000 cm2 /（V·s），又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板，甚至是太陽能電池。

石墨烯的作用  

1、石墨烯有抗菌物質(zhì)：石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細(xì)胞。假若石墨烯氧化物對其他細(xì)菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應(yīng)用，像自動除去氣味的鞋子，對有害菌導(dǎo)致的便秘進(jìn)行快速消除，或保存食品新鮮的包裝。

2、石墨烯能夠淡化海水：研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度的勝過其他的海水淡化技術(shù)。如果能夠與水分子分解發(fā)電技術(shù)結(jié)合，水、電就會成為非常廉價的產(chǎn)品。

3、石墨烯能夠作為太陽能電池：在甲烷氣體中的鎳板上，由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后，在石墨烯層之上鋪下一層熱塑性保護(hù)層，并且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最后的步驟中，把塑料保護(hù)的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材，它可以被納入一個有機太陽能電池 (OPV電池, 石墨烯光伏電池）。石墨烯/聚合物片材已被生產(chǎn)，大小范圍在150平方厘米，和可以用來生產(chǎn)靈活的有機太陽能電池 (OPV電池)。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區(qū)的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣。

4、石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。石墨烯具有高的載流子遷移率（carrier mobility），以及低噪聲，允許它被用作在場效應(yīng)晶體管的通道。問題是單層的石墨烯制造困難，更難作出適當(dāng)?shù)幕濉?/span>

根據(jù)2010年1月的一份報告中，對SiC外延生長石墨烯的數(shù)量和質(zhì)量適合大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路。在2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了**個石墨烯為基礎(chǔ)的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達(dá)10 GHz，其性能不受溫度可高達(dá)127攝氏度的影響。

5、石墨烯可以用于超級電容器的導(dǎo)電電極，因石墨烯具有特高的表面面積對質(zhì)量比例。科學(xué)家認(rèn)為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現(xiàn)有的電容器。

6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺吋厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測與診斷器件。

科學(xué)家希望能夠發(fā)展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認(rèn)為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯制成一個尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由于DNA的四個堿基（A、 C、 G、T）會對于石墨烯的電導(dǎo)率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個堿基正在游過納米洞。

7、作為導(dǎo)熱材料或者熱界面材料。

8、單分子氣體偵測。石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。 通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應(yīng)方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當(dāng)一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發(fā)生電阻的局域變化。當(dāng)然，這種效應(yīng)也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導(dǎo)率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化。