地球已知強度最高材料之一「黑金」,我國的儲量佔全球70%

2020-12-01 騰訊網

21世紀充滿了奇蹟，世界安定，人類生活豐富多彩。許多人認為21世紀將是人類科學快速發展的世紀，但是21世紀已經過去了五分之一。儘管生活發生了很大變化，但人類科學似乎並未取得太大進步。人類仍在探索宇宙，試圖移民到火星，而受控核聚變距離還有50年。似乎一切都在變化，一切似乎都沒變。

80多年來，物理學一直沒有根本突破。與20世紀初期的巨大發現相比，21世紀太安靜了。只有「弦理論」似乎是完美的。許多人感嘆「物理已經死了」，人類的科學發展難道真的陷入了瓶頸嗎？

答案當然不是這樣。人類科學一直在有序，迅速地發展。多年來沒有重大突破的原因也很簡單。上個世紀許多科學家的研究已經足夠深入，而相對論和量子力學的理論足以進行人類研究。長期以來，如果我們想真正證明「大統一」理論是不現實的，那麼我們就不可能每100年開發出一種顛覆性理論。科學需要不斷積累才能突破。

因此，除了理論物理學以外，21世紀人類的主要發現是什麼？在編輯的心中發現和使用「石墨烯」可能是近幾十年來對人類至關重要的發現，但是自2004年科學家發現並證實石墨烯以來已經有16年了。為什麼新材料「石墨烯」如此聲稱顛覆世界直到今天還沒有席捲全球？

劃時代的「石墨烯」

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov發現，我們可以改變石墨的分子結構，從而獲得一種特殊的材料「石墨烯」，因為石墨烯是珍貴的，也被稱為「黑金」。 。

實際上，石墨烯已經存在於自然界中，但是很難剝離單層結構。一層石墨烯疊加起來是石墨，一層1毫米厚的石墨包含約300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕刮擦，留下的痕跡可能只有幾層甚至只有一層石墨烯。

兩位科學家發現，通過將石墨薄片粘貼到特殊的膠帶上，撕開膠帶後，會在膠帶上粘貼一層薄薄的石墨。幾次後，可以獲得單層石墨烯。這是獲得諾貝爾物理學獎的「石墨烯微機械剝離方法」。

簡而言之，石墨是具有單層原子結構的石墨。它非常薄，因此被稱為石墨「烯」。由於石墨烯具有前所未有的單層分子結構，因此石墨烯具有其他材料無法擁有的特性。經過簡單的採集，它吸引了許多科學家的注意。 「石墨烯電池」，「石墨烯塗層」甚至「石墨烯面膜」已成為可以顛覆人類世界的「最強材料」。

石墨烯是已知強度最高的材料之一。它也具有良好的韌性並且可以彎曲。石墨烯的理論楊氏模量達到1.0 TPa，固有拉伸強度為130 GPa。

最薄，最硬的納米材料在光，電，熱，力等方面具有優異的性能。可以說石墨烯可用於任何領域，其潛力與想像不同。正是由於這種特性，許多科學家認為石墨烯足以顛覆世界。

為什麼石墨烯「缺乏耐力」？

石墨烯在未來具有良好的性能和許多應用領域，但是為什麼石墨烯的口號如此之高已經超過十年，而我們卻很少遇到石墨烯？甚至沒有謠傳的「石墨烯電池」出現嗎？

首先，石墨烯電池在技術上難以實現。石墨烯確實可以提高充電和放電的速度，但不能增加電池的容量。其次，石墨烯與現代鋰電池工廠不兼容。同時，石墨烯價格昂貴。對於製造商和用戶而言，石墨烯只會增加成本和價格，因此石墨烯電池技術是天上的一座城堡。

材料科學對人類非常重要。即使能源是文明的基石，但如果沒有足夠強度的材料，我們也無法使用這些能源。例如，「核聚變」和「反物質」都需要高強度的材料。將來，當人類在星際旅行時，實現亞光速飛行還需要太空飛行器由高強度材料製成。

這說明了石墨烯的重要性，但是為什麼石墨烯不能真正進入我們的生活並取代大多數材料呢？對於新材料（例如石墨烯），重要性由可以替代的材料決定。如果替代材料已經被人類廣泛使用，那麼高強度，高性能的新材料的出現就是石墨烯。最初替代材料的領域已經取得了進展。石墨烯非常重要的原因是石墨烯具有廣泛的應用範圍。

全球的石墨儲存量約為15億噸，而中國的石墨烯儲存量則超過10億噸。科學家認為，世界上超過70％的石墨礦都在我國。因此，石墨烯的研究與利用對我們來說至關重要。

石墨烯不大面積普及的原因僅僅是「高製造成本」。即使這種新材料的性能優異，但其生產成本過高，也無法大面積替代原始材料。它已經存在了十多年，但有關石墨烯的更多研究仍處於實驗階段。大多數國家對石墨烯的研究無法進入真正的大規模生產階段。

石墨烯之所以受歡迎，是因為兩位科學家基於這項研究獲得了諾貝爾獎，這令世界如此關注。新材料的出現需要很長時間進行深入研究，也需要很長時間才能適應市場的接受程度。像受控核聚變一樣，我們都知道受控核聚變可以改變我們的生活並使人類進入清潔能源的新時代，但是進行核聚變的實驗也是危險的。即使在將來，科學家也將意識到受控核聚變還需要很長時間才能推廣和使用。石墨烯確實是可以改變世界的材料，但是我們還不能大規模生產它。隨著研究的深入，這個問題可以由我們解決。

為什麼石墨烯這麼強

簡單了解石墨烯後，我相信每個人都會有這樣的問題。在用膠帶連續粘貼石墨後，為什麼石墨烯薄層更堅固？

其實這個問題也很簡單。石墨烯由碳原子組成，碳在我們的生活中非常普遍。生活中的「石墨」和「金剛石」是由碳原子構成的，但是這兩種物質的強度和外部性能卻大不相同，因為構成這兩種物質的碳原子排列不同。

從結構的角度來看，金剛石的原子排列更穩定，而石墨的結構穩定性較差，並且每一層之間的原子是平行的。這時，科學家突發奇想，因為石墨的多層結構非常不穩定，那麼我們可以從石墨中提取出單層石墨，能否得到一種高強度的新材料呢？這樣，石墨烯誕生了。與石墨相比，石墨烯僅由單層碳原子組成，就像「二維材料」一樣。這種結構賦予石墨烯超高的強度，且石墨烯足夠薄，可用於許多領域。

很多時候，真理和突破離我們很近。靈光閃現後進行的簡單實驗可以導致震驚世界的巨大發現。科學從未停止，人類一直在進步！

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