看“黑金”石墨烯如何顛覆未來(lái)

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來(lái)就成為了“神奇材料”“萬(wàn)能材料”的代名詞，各國(guó)的頂尖科研力量對(duì)它趨之若鶩，成就了它材料界翹楚的地位。

石墨烯是什么

石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯在已知的材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高，它電流密度是銅的100萬(wàn)倍，導(dǎo)熱率是銅的10倍，因此也是最理想的電極和半導(dǎo)體材料，被認(rèn)為可以引起現(xiàn)代電子科技和信息技術(shù)的革命。

目前，石墨烯主要應(yīng)用于復(fù)合材料、導(dǎo)電導(dǎo)熱涂層、超級(jí)電容器、鋰離子電池等，未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展可能是柔性顯示、太陽(yáng)能、高性能芯片、醫(yī)學(xué)生物等領(lǐng)域。

新能源汽車(chē)鋰電材料領(lǐng)域。石墨烯作為導(dǎo)電添加劑能大幅提升鋰離子電池的充電效率、穩(wěn)定性和使用壽命，相比顆粒狀導(dǎo)電劑和碳納米管具有顯著性能優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)電添加劑能大幅提升鋰離子電池導(dǎo)電性，提高電動(dòng)車(chē)的快充性能。導(dǎo)電添加劑的作用就是在具體活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間收集微電流以減小電極的接觸電阻，加速電子的移動(dòng)速率。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑相比，石墨烯導(dǎo)電劑性能更為優(yōu)異，與碳納米管相比也更勝一籌。

超級(jí)電容器領(lǐng)域。超級(jí)電容器是一種靠極化電解液來(lái)存儲(chǔ)電能的新型電化學(xué)裝置，介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間，具有充放電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在各類(lèi)需要能源轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。由于石墨烯具有特高的表面面積對(duì)質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級(jí)電容器的導(dǎo)電電極?？茖W(xué)家認(rèn)為這種超級(jí)電容器的儲(chǔ)存能量密度會(huì)大于現(xiàn)有的電容器。

電子設(shè)備領(lǐng)域。電子產(chǎn)品的輕薄化對(duì)散熱提出了更高的要求。當(dāng)前，電子產(chǎn)品的輕薄化已經(jīng)成為一大趨勢(shì)，伴隨著產(chǎn)品功能增強(qiáng)、性能提高，高功率的處理芯片帶來(lái)了更多的熱量，更快的處理速度和更低的電量消耗對(duì)智能終端提出了更高的散熱需求。2011年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）學(xué)者首先報(bào)道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結(jié)構(gòu)在熱界面材料中的應(yīng)用及其超高等效熱導(dǎo)率和超低界面熱阻。

透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域。傳統(tǒng)的顯示屏導(dǎo)體材料基本都使用ITO膜，但I(xiàn)TO材料具有價(jià)格高、易碎、有毒等缺點(diǎn)，且受制于導(dǎo)電性、透光率、彎曲性等本質(zhì)問(wèn)題，已無(wú)法滿足移動(dòng)終端、可穿戴設(shè)備、智能家電對(duì)觸控面板提出的更高的要求。與ITO相比，石墨烯性能更為優(yōu)異。

通常衡量透明導(dǎo)電膜性能有兩個(gè)指標(biāo)：導(dǎo)電性和透光率。石墨烯具有高透光度、強(qiáng)韌性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是新型透明導(dǎo)電膜的理想材料。此外，石墨烯觸摸屏sensor加工工序相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、場(chǎng)地等投資要求較低，可進(jìn)一步降低模組成本。目前，在技術(shù)層面石墨烯替代ITO作為觸摸屏已經(jīng)沒(méi)有障礙，與ITO其他替代材料比，石墨烯更為全面，進(jìn)展加速。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測(cè)與診斷器件，石墨烯是個(gè)很優(yōu)良的選擇。石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、DNA和蛋白質(zhì)檢測(cè)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

海水淡化。研究表明，石墨烯過(guò)濾器可大幅度的勝過(guò)其他的海水淡化技術(shù)。