关于石墨烯的介绍及应用设想

对于石墨烯特殊性能的研究与应用设想论文摘要：石墨烯是近年来材料研究的热点对象，以优良的电子运输、导电导热特性、机械特性、电子的相互作用、化学性质、记忆效应被人们认为是发展前景极为广阔的新型材料，但，对于石墨烯为什么会有如此优良的性能，我非常好奇，于是，便开始了一些调查与探索。关键字：石墨烯，性质，结构引言：前段时间搜索新型材料，发现了许多令我惊讶的研究成果：最小最快石墨烯晶体管2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。石墨烯光电传感器2012年8月，诺基亚的研发部门已经在着手研究石墨烯光电传感器，并且已经在美国专利和商标局注册了一项专利。碳海绵：碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。纯石墨烯粉末制成柔性散热薄膜2013年4月2日，贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。……有如此多令人瞠目的研究成果，我不禁好奇，是什么让石墨烯拥有这样的“荣幸”能够被人如此重视，于是，我做了以下调查与探索。正文：石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。如此多特殊的性能，是什么带来的呢？通过学习化学，我知道物质的性质是由它的结构导致的。按照常理来想,石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。由于大∏键的存在，使石墨烯有了良好的导电性能，这很好理解和解释，但是，翻看资料，我发现，石墨烯的强度强大到令人咂舌。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。一片薄膜却承受如此大的压力，到底是由什么导致的？如果说仅仅是因为碳碳之间共价键牢固的话，根本不可能令人信服，就算加上∏键也还是不太有说服力。通过进一步的调查，我发现，石墨烯的结构远不是开始时想的那样简单。通过查找资料，我了解到了目前制备的石墨烯最大不过十多英寸，并且随着面积的增加，石墨烯的性能可能会有些许变化。石墨烯的边界处碳原子与两个碳原子相连，键长短强度大，而石墨烯内部碳原子与三个碳原子连接，键长长强度小，两者现已有实验数据，就可知化学键能差距约在40%左右（注意有误差，但差距明显不容否认），据资料显示，包括诺奖得主在内的多位科学家都认同石墨烯边界处碳碳之间和内部碳碳之间是不同的化学键在相互连接。我看到一种理论，觉得石墨烯的结构应该是和边界的色散应力有关。就像是一块薄膜被固定在一个金属箍上，边界的作用力比内部要强，面积小的话，就好像是把内部固定了一下，使得内部的强度明显增大，也就是说，石墨烯一旦很大，那么它的性能和纳米级的石墨烯会有少许变化，因为边界的色散应力是有限的，随着面积增大，它对内部的固定作用会减弱。作为一个高中生，我目前的知识储备实在有限，所以，我无法判别到底是因为什么使的石墨烯的强度如此之大，与其他材料有这样大的差异。不知者无畏，所以我在这里说一些可能会是很可笑的想法应该也没什么。不知道碳纳米管、富勒烯的强度是怎样的，是不是单层石墨碳原子层形成的派生物都有特殊的强度性质呢？石墨烯现多应用于电子产品，如果把它用于保险加密、特殊物品保护方面会不会也很好呢？石墨烯透光性很强，导电性很强，硬度又很大，既然可以当做电子屏幕，又可以弯曲、折叠，那么就可以把它当作需要特殊保护的物品外的一层“膜”（一般都是很小的电子产品，所以不需要太大的石墨烯，它的优良性质就可以充分体现），利用它的导电性、透光性和物理电学方面、计算机程序方面的内容结合，来使它显示一些信息，或设定密码锁，用以保护物品。由于石墨烯的强度大，没有密码打不开时一般又损坏不了，这样就起到了一个特别棒的保护作用。当然，利用化学方法可能会使石墨烯的保护作用利用受限，不过，我们也可以想办法通过化学方面的反应等先将石墨烯进行处理，使它有一定的抵抗化学破坏的能力，当然，这种保护起来的资料或物品肯定不是一般的了，所以才会有人这样费劲的保护、破坏……至于怎样用化学方法可以使石墨烯更完美，更好的发挥它的保护作用，目前以我的能力还不得知，不过，如果可能的话，我却很有兴趣研究一个这样强大的材料，这就需要我继续努力提高自己的知识和能力了。话说，能力越大，责任越大，石墨烯就是典型啊。它拥有这样优秀的性能不好好利用实在是太可惜了，所以，人们都对它的发展寄予厚望。《十二五期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》称石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，故有业内人士如此评价：如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性变化。不过,再通过了解,我看到了一篇报道,报道上说在石墨烯的某些应用中，需要将其转移到合适的衬底上，而与衬底的相互作用可能会造成石墨烯性能的部分改变。“石墨烯要实现产业化应用，不仅要解决如何制备出高质量和大面积的材料，还需要解决石墨烯在器件集成方面的一些关键问题。”某位专家说，当前两者均没有得到很好的解决。所以,目前我们是有了一块上好的美玉胚子，至于如何打磨才能使它真正成为焕发绝世光彩，还需要琢玉人巧夺天工的技艺和别出心裁的设想，这就是我们现在学习所要解决的问题了。对于材料方面，我有极大的兴趣和坚定的信心，我觉得新型材料在未来一定会大放异彩，而我愿意为它的辉煌尽自己的一份绵薄之力,我相信,只要我坚定不移、脚踏实地的努力下去，未来的某些奇迹会由我来创造。参考文献：1.无机材料学报2013.29.7、2013.29.182.百度百科【石墨烯】3.百度文库