諾貝爾獲得者談石墨烯 碳納米管更有優勢嗎
時間:2016-04-18 09:01來源:界面 作者:西顧
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石墨烯是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。它的發現者之一，2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫在應用上有什么新發現？
單原子厚度的石墨晶體稱之為石墨烯，被視為可提供給人類的最強晶體。石墨烯開啟了在其他二維原子晶體上的實驗閘門，形成了巨大的二維晶體群。
近日，2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授做了題為《二維世界的材料》的主旨報告。從物理結構方面向大家介紹石墨烯的材料，特別是從二維異質結構的角度。
石墨烯是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。
2004年，諾沃肖洛夫和曼徹斯特大學物理學家安德烈-海姆成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人因此獲得了諾貝爾物理學獎。
二維材料伴隨著單原子層的石墨材料——石墨烯的分離成功而提出。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度(1-100nm)上自由運動(平面運動)的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。
由于二維異質結構可以根據原子精度和性能迥異的個體層結合在一起，這些結構性質可以被用于針對性地研究新的物理現象，或適合的一個可能的巨大應用范圍。這里的異質結構堆的功能是“嵌入”式的設計。
相對二維材料，還有一維材料和三維材料。一維材料是指電子僅在一個非納米尺度方向上自由運動(直線運動)，碳納米管(carbon nanotube)最具代表性。三維材料則是指電子在三個非納米尺度上自由運動的材料，如納米粉末高壓成型，或控制金屬液體結晶而來的納米晶粒結構。
對于目前石墨烯的應用價值方面，諾沃肖洛夫總結認為，應該在目前已知的物理物質里應用石墨烯技術，而在二維材料里挖掘更多應用，并目標基于范德華力的異質結構，并結合RFID(射頻識別)制作傳感器，以及制造在這基礎之上的多功能產品。
現場600多名參與者中不乏國內外對石墨烯有研究或感興趣的學者及業界人士，有中國生產家問及，石墨烯技術何時能大規模應用推廣時，諾沃肖洛夫回應稱，現在已經有很多初具規模的化學產品，以及應用材料等。比如，石墨烯粉末是最為常見的產品之一，并在中國已初具規模。
去年10月，中國國家主席習近平曾前往訪問曼徹斯特大學國家石墨烯研究院，聽取諾沃肖洛夫介紹石墨烯研究的情況，參觀了石墨烯產品展示和生產石墨烯的地下超凈實驗室。
作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結構、力學和電子性質，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。
石墨烯也已成為中國重點發展的戰略新興產業之一，是“十三五”新材料發展的重點。今年4月， 中國國家標準化管理委員會網站公布《石墨烯材料的術語、定義及代號國家標準草案(征求意見稿)》，并在一個月內向社會公開征求意見。
雖然石墨烯市場關注度高，參與者眾多，但由于國內缺乏統一標準，導致市場魚龍混雜。業內普遍認為，上述征求意見標志著中國首個石墨烯國家標準制定取得重要進展。
業內常把石墨烯和碳納米管作比較，在當日的論壇上，清華大學物理系教授、清華-富士康納米科技研究中心主任范守善院士也以《怎么使碳納米管材料實用化》為題作論壇主旨報告。
碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。
范守善表示，目前為止，碳納米管可做成高分子彈性膜，垂直方向導電導熱，橫向絕緣。碳納米管還可以做光學儀器，可達到接近100%的吸收率。
此外，范守善認為，碳納米管薄膜的透光度好，只占10%的空間，并且做成可穿戴性的仿真品，做一些植入式的導線，可用于一些外科手術。
在加熱器方面，碳納米管也可發揮最大的好處，范守善表示，碳納米管可做柔性的加熱裝置，膜面積小，密度大，脈沖的響應快，加熱和散熱就都會很快，其他材料做不到。
碳納米管也可應用于鋰電池。“從一維材料，二維三維網絡來看，碳納米管是最好的材料。”范守善表示，碳納米管還可以做催化劑的載體，甚至復合材料，將高分子材料固化后，可以用碳納米管控制裁切的方向。
對于最為熱門的石墨烯電池這個話題，有業界人士問及是用碳納米管還是石墨烯更好？范守善稱，因為氧化物導電不好，不能阻礙離子的出入，這個角度來看用碳納米管形成的網絡較好。
“碳納米管的膜已經形成固定的網絡，如果每個氧化物的點都在網上，那就有電子出入。我們想要找個特殊的薄膜電池，而不是找新的材料(指石墨烯)來競爭。”范守善說。
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