從塑料到石墨烯,材料怎樣革新未來?

    如果說塑料的發明是20世紀最偉大的新材料,

    那么石墨烯或將成為21世紀的顛覆性材料。
    如今石墨烯所彰顯的巨變力量,
    一點也不比當初的塑料少。

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    從塑料到石墨烯
     
    塑料和石墨烯一樣,都是由碳基分子形成的。碳原子的長鏈和其他元素按照重復結構單元連接在一起,這通常被稱為聚合物,也就是塑料的專業名稱。只不過,塑料瓶和購物袋并不是唯一的高分子聚合物形式。包括淀粉、蛋白質或 DNA 在內的天然聚合物都是促成身體機能運轉的要素。

    實際上,聚合物很早就已被人類發現,但一直未能投入重要應用當中。直至在人類 20世紀初首次從石油當中提煉出聚合物后,它才得到大規模應用。1907年,利奧·貝克蘭發明的第一種塑料制品就是聚合物,此后,一系列為人熟知的塑料品種才相繼出現,包括聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯(PVC)聚乙烯、尼龍和聚對苯二甲酸乙二醇酯等。

    當前,塑料幾乎在所有領域都得到廣泛應用,而過去這種對于塑料應用的想像,今天也被人們如出一轍地復制在了石墨烯上。2010年10月瑞典皇家學院宣布了當年諾貝爾物理學獎獲獎者及其獲獎理由:安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制備出了石墨烯材料,并發現其所具有的非凡屬性,向世界展示了量子物理的奇妙。

    而石墨烯的神奇特性正是由這種獨特的結構賦予的——用肉眼觀察,石墨烯呈黑色粉末狀,握在手里輕若無物,但卻是目前人類已知的導電導熱性最佳、重量最輕、強度最大、韌性最好并具有極高透光率和高比表面積的材料。憑借自身良好的光、電、熱、力等性能,石墨烯被人們寄予了諸多超乎想象的特性,并成為碳時代的“黑金”。

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    新材料的希望

    眾所周知,材料是人類賴以生存和發展的物質基礎,推動著整個人類文明的演化。從木石泥,到銅鐵鋼,再到硅晶片、碳纖維,歷史經驗表明,人類社會每一個新時代都會有一種新材料出現,而這種新材料往往成為那一時代生產力提升的“發動機”。

    放眼未來,如果石墨烯的性能被徹底發揮出來,那么大數據、物聯網、云計算、智能設備等各項前沿領域將會取得重大突破,不僅將會實現“萬物互聯”,人們習以為常的生產生活方式也會被徹底顛覆。

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    “黑金”時代怎么還沒到來?

    當前,石墨烯被形象地稱為“黑金”“萬能材料”“新材料之王”“未來材料”和“革命性材料”,甚至有科學家預言其極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術革命,進而徹底改變21世紀。


    目前,石墨烯的制造難度仍然很大,當前,制備石墨烯有4種主流方法:機械剝離法、化學氣相沉淀法(CVD)、碳化硅(SiC)外延生長法和氧化還原法。其中,機械剝離法是實驗室制備石墨烯的主要方法,也是當前制取單層高品質石墨烯的主要方法;化學氣相沉淀法被認為最有希望制備出高質量、大面積的石墨烯,是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法;碳化硅外延生長法雖然可以制得大面積的高質量單層石墨烯,但受單晶SiC的價格昂貴、石墨烯生長條件苛刻、生長出來的石墨烯難以轉移等因素影響,其目前主要用于以SiC為襯底的石墨烯器件的研究;氧化還原法也被認為是目前制備石墨烯的最佳方法之一。

    如果基于石墨烯生產的 “殺手級應用”被發明出來,那么石墨烯市場或將迎來一場批量化生產的競賽,以滿足這一需求。一旦產量增加,特別是出現很多供應商后,每單位的石墨烯產品的價格就會下降,只有這樣,一個強大的商業市場才能形成。

    人類工業化的歷史經驗表明,新材料的發明制取在現代產業體系中扮演了舉足輕重的角色,屢次催生出新產業甚至是新產業群。然而,新材料在產業化過程中,往往在技術、市場和組織等方面存在極大的不確定性。而如果按照硅材料產業的成熟周期為20年來推斷,石墨烯產業化成熟還要5~10年,

    因此,石墨烯想要真正引領“黑金”時代,還有一段路要走。同時也不排除新技術的發現或將快速推動石墨烯產業在快速應用,目前石墨烯材料已經在新能源電池領域、熱傳導領域、潤滑油領域、防腐材料方面取得了令人矚目在成果,相信不遠的將來必將在我們生活各個方面大放異彩。


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