無(wú)盡的應(yīng)用：也許有一天……
2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)海姆和諾沃肖洛夫共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這距離二人從三維石墨晶體中分離出自由的石墨烯二維晶體僅僅過(guò)去了6年——這也是歷史上取得成果與獲獎(jiǎng)之間最短的時(shí)間之一，很多人要在成果問(wèn)世幾十年后才收到諾貝爾獎(jiǎng)的邀請(qǐng)。
石墨烯是六角型蜂巢結(jié)構(gòu)的單層碳二維晶體。浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超告訴記者，石墨烯僅有單原子厚，是已知材料中最薄的一種。由于構(gòu)成石墨烯所有的碳原子都是裸露的，這就使得石墨烯具有很大的表面積。石墨烯片中的碳原子之間柔韌的連接使得它在外力條件下可以保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，正由于這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯有著迄今為止最高的力學(xué)強(qiáng)度和最高的導(dǎo)熱性能。
“它的機(jī)械強(qiáng)度是世界上最好的鋼的100倍，它有著最快的電子遷移率，同時(shí)它還具備已知材料中最快的導(dǎo)熱率以及與銅一樣優(yōu)秀的導(dǎo)電性。”高超介紹，石墨烯還有著豐富的化學(xué)反應(yīng)性，可以吸附或生長(zhǎng)各種小分子或者聚合物分子。
也許有一天，你會(huì)在電視上看到這樣的廣告。“燈，等燈等燈。××電腦采用1.5T石墨烯處理器……”裝備有這種CPU的電腦秒殺現(xiàn)在的各種PC：石墨烯可用以生產(chǎn)頻率更高、發(fā)熱量更小、信息量更大的計(jì)算機(jī)芯片——據(jù)估計(jì)，屆時(shí)芯片處理器的頻率有望達(dá)到1THz以上(現(xiàn)在商用CPU最好的為GHz量級(jí)，1THz = 1000GHz)。
也許有一天，你把掌上電腦三折兩疊塞進(jìn)牛仔褲后兜，這比各種Pad都拉風(fēng)：石墨烯良好的透明性和導(dǎo)電性可以用來(lái)制造大面積的柔性透明電極，使得可折疊的觸摸顯示屏成為可能。
也許有一天，用石墨烯制備的手機(jī)電池，三分鐘就充滿電，能打半個(gè)月電話；應(yīng)用了石墨烯的光調(diào)制器，可使網(wǎng)絡(luò)速度快一萬(wàn)倍。
也許有一天，石墨烯實(shí)現(xiàn)了直接快速低成本的基因測(cè)序，幾個(gè)小時(shí)就能測(cè)定完你自己的基因序列或者很快就能從基因上鑒定某種疾病；用石墨烯開(kāi)發(fā)了超輕型飛機(jī)、防彈衣、輕型汽車(chē)，甚至是人類夢(mèng)想的上萬(wàn)英里的太空電梯。
但現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們只能得到最大至厘米級(jí)別的石墨烯材料。然后，“如果用于電子器件，就要突破研究高純石墨烯及可控?fù)诫s石墨烯的制備這一瓶頸；如果用于復(fù)合材料，還要研究可溶或可加工石墨烯合成及石墨烯表面性質(zhì)的調(diào)控。”高超說(shuō)。
石墨烯的潛能超凡，但我們首先要找到開(kāi)啟其應(yīng)用的手段。
長(zhǎng)纖維：石墨烯找到用武之地
科學(xué)家們相信，欲利用好石墨烯的特性，可以將這些二維碳納米片有效地排列成宏觀材料——石墨烯纖維。
“在最近幾年里，人們?cè)谑┑幕拘再|(zhì)研究方面取得了很大的進(jìn)展。但在我們的研究之前，人們很難想象怎樣才能將不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀的纖維材料。”高超說(shuō)，“在這一領(lǐng)域，之前的研究都集中在制備石墨烯紙。然而，這一形式的材料尺寸上只有數(shù)毫米至幾厘米，而無(wú)法像纖維一樣能夠連續(xù)制備得到人們想要的長(zhǎng)度”。這意味著，此次做出的連續(xù)纖維在全世界尚屬首例。
微小的石墨烯片好比是一張紙，這張紙有強(qiáng)大的物理特性但無(wú)用武之地，假如將這種紙一張張縱向摞起來(lái)，組成一根非常長(zhǎng)的大“繩子”，那么這根“繩”就是上面提到的纖維了。纖維可以紡成線，線可以編成真正的繩子，線也可以織成布。有了繩子和布，石墨烯就有了廣闊的用武之地。只是這種纖維并不一定具備石墨烯那樣的剛性，因?yàn)槔w維的結(jié)實(shí)程度取決于其片與片之間的親合力。
高超介紹說(shuō)，經(jīng)過(guò)改性和復(fù)合，可以形成多系列、多用途的石墨烯纖維，作為一類高性能纖維的基本原料。用這種布料做的衣服可防輻射、抗靜電、抗細(xì)菌，乃至制成特種功能服裝如抗腐蝕服、防彈衣及柔性電子器件服裝；強(qiáng)度進(jìn)一步提高后，這些纖維可制成建筑支撐材料，代替鋼筋等金屬材料搭建輕型房子、帳篷等，也可用于汽車(chē)外殼、輕型飛機(jī)外殼等，當(dāng)然還可以很容易做成輕質(zhì)電纜電線、導(dǎo)電/抗靜電管路、柔性電容器、電池、傳感器等。