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科普:“黑金”石墨烯的四个超强特性

2018-12-06 16:57 产经网

1.力学性质

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

石墨烯的力学性质非常之强,它的力学拉伸强度达到130GPa,相当于钢铁的一百倍。理论计算得到,如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米,它都能够撑起一只大象的重量。它这么强的力学性能从何而来?就像我们开始讲的——结构决定了性质。

它是一个二维结构,碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居,这三个邻居形成的碳的键非常短,非常强,支撑了石墨烯的高强的力学性质。

2.电学性质

它的电学性质很值得一提,它的电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs,是硅的一百倍。

什么是电子迁移率呢?就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定,一个是电子在里面跑多快,第二是有多少电子在里面跑。

大家可以想象一下高速公路,这条公路上限速是多少,车可以跑多快,以有多少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中,很多的时候我们希望有一个高运力,这样的话能加速器件的运算速度。

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

第二,它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线,比如说金属线铜线,我们通电流,如果电压增加,电流增加到一定程度,电流会把铜丝烧断。

但是石墨烯抗烧断的能力非常之高,它可以达到铜的100万倍!如果我们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现,在双层石墨烯里面,如果转动一个角度,它会有一些超导现象出现。

但在电学性能中它有一项不足,就是它的零能带隙,能带[4]是关系到一个半导体的存在的。如果这个能带合适,这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带,它就不是半导体,它是个金属性质,那么做电子器件还是有一定的困难。科学家们正在克服这些零能带造成的问题。

3.致密与大比表面积

它石墨烯是一个很致密的材料,由于它的键很短,就是原子和原子之间的距离很近,只有0.142nm。也就是说,包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种很好的阻隔材料,比表面积可以达到2630m2/g,就是说它的面积非常大。

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

我们看中间这张图,就是用石墨烯组成了一个泡沫状的结构,它可以自己把自己支撑起来,但非常非常的轻。我们把它放在一个狗尾草上面,狗尾草看上去没有任何的结构上的变化。

我们可以用这些石墨烯来做一些过滤的材料,在上面开一些我们能控制尺寸的小洞,就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离,空气中的氧气跟氮气的分离。

4.光和热的性质

石墨烯的光的性质,因为只有一种碳源,只有一层碳原子,它的透光率可以达到97.7%,也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。

这个是大还是小呢?实际上是一个很强的光吸收,大约50层石墨烯我们就可以把光完全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以,我们只用它其中的一层就够了,这就使得它有很多可用的地方。

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

被称为“黑金”的石墨烯,到底有多强?

石墨烯的导热性质非常好,目前有两种主要的导热方式。一种叫电子导热,就是一个材料如果它导电非常好的话,它的导热往往也很好,比如说铜和铝。

但是还有一种材料,它的导热是不需要寄托于导电上的,它是靠声子导热的,就是说声波的传播速度,在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s,所以它具有非常好的导热效果。

责任编辑:李素均

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