本文參加百家號 #科學了不起#系列徵文賽。
石墨烯作為一種新型材料備受追捧,很多不同領域的產品製造商都在想盡辦法蹭石墨烯的熱度,那麼到底什麼是石墨烯呢,這種材料有何特別之處呢,那些蹭熱度的產品是不是真的呢?
在整個宇宙之中,所有的物質都是由不同的元素所構成的,但同一種元素卻並非只能構成同一種物質,元素通過不同的結構進行組合就能夠形成不同的物質。以碳元素為例,當一個碳原子周圍有四個碳原子,它們以共價鍵的方式相結合,且周圍的四個碳原子與中心的碳原子形成一個正四面體結構的時候,就組成了一種物質,我們叫它鑽石。因為碳原子之間是以很強的共價鍵結合的,所以鑽石的硬度很高,又被稱為金剛石。鑽石的硬度很高,但另一個同樣由碳原子所組成的物質卻十分光滑,它就是石墨。
當碳原子通過化學鍵結合成諸多正六邊形的結構,就組成了一個層,很多層疊在一起就組成了石墨。
在石墨中,同一層的碳原子依靠化學鍵結合,而層與層之間卻沒有化學鍵,它們是依靠原子間的弱鹼性電性吸引力結合在一起的,所以同一層碳原子的結合非常牢固,而層與層之間則是可以滑動的,而這種層與層之間的滑動就是石墨光滑特性的根源。那麼什麼是石墨烯呢?很簡單,石墨烯就是單層的石墨,如果將石墨的一層結構單獨拿出來,那就是石墨烯。
石墨烯的發現是在2004年,而在此之前,科學家們一直斷定類似於石墨烯的物質是不會存在的,為什麼呢?原因很簡單,我們身處在一個三維空間之中,所有的事物都是三維結構的,像石墨烯這種二維結構的物質不可能存在於三維空間之中。
一張紙是不是二維結構呢?當然不是,紙是三維結構物質,它是立體的,擁有長寬高,只不過高度,也就是厚度很薄而已。
但石墨烯就不同了,它基本上可以說是一種二維結構物質,石墨烯就是單層石墨,它的結構是平面的,厚度為一個原子,那麼這一個原子到底有多厚呢?我們知道,納米這個單位是很小的,一納米就等於10∧-9米,而單層石墨的厚度為0.355納米,很薄很薄,薄得沒有辦法再薄。
二維結構的物質無法存在於三維空間之中,這是一個常識,但有人就偏偏不信邪。這兩個不信邪的人,一個叫做安德烈·海姆,另一個叫做諾沃肖洛夫,他們都來自於英國曼徹斯特大學。這兩個人就想啊,一定有什麼辦法能夠獲得單層的石墨,畢竟石墨的結構具備這種潛力,同層原子的結構牢固,而層與層之間卻沒有化學鍵相連。
那麼怎麼能把單層石墨弄出來呢?先別想那麼多,先儘量把石墨弄薄再說,於是他們採用了一個非常簡單的辦法,就是用膠條粘。
當我們在紙上寫錯字的時候,就會用膠條把錯字粘下來,這種技術早在三四十年以前就出現了,而我們粘下來的其實是紙張的表面一層。膠條能夠粘下紙上的表層,自然也能粘下石墨,於是一層薄薄的石墨被粘下來了,不過此時的石墨距離單層石墨還有十萬八千裡,沒關係,再粘,用另一個膠條把粘有石墨的膠條再粘一下,就又得到了更薄的一層石墨,如此往復,最終就獲得了單層石墨,也就是石墨烯。
別看發現石墨烯的過程似乎並不太過複雜,但這一發現卻斬獲了2010年的諾貝爾獎,原因就是人類首次在三維空間中發現了二維結構物質。
那麼石墨烯這種材料到底有何特別之處呢?
石墨烯具有很多優點,由於碳原子之間通過化學鍵結合相當牢固,所以石墨烯是一種又薄強度又大的物質,且具有很好的拉伸性。再者,石墨烯的導電性能和導熱性能都十分優異,金屬具有良好的導電性,而在金屬之中導電性能最好的就是銀,而石墨烯的導電性比銀還要好。
石墨烯有如此眾多的好處,在實際應用中又能做些什麼呢?相必大家一定都聽過石墨烯電池,為什麼要用石墨烯做電池呢?我們現在很多電子設備中所使用的電池都是鋰電池,鋰電池的缺點就是電阻大,所以如果電流過大,電池就會發熱燒毀,因為給手機充電必須控制電流,控制了電流,充電速度自然就慢。而石墨烯電阻很低,導電性很好,如果用石墨烯製作電池,那麼就可以用很大的電流來進行充電,那充滿電就是分分鐘的事了。不過包括石墨烯電池在內,關於石墨烯在各個領域的實際應用還尚需時日,從研製到研製成功,從研製成功到投入實際應用,這個過程還是很長的。