最強(qiáng)的輕質(zhì)材料

遠(yuǎn)祥

首先想問一下萬能的社友：什么材料的密度為鋼的5％，但強(qiáng)度卻是鋼的10倍？

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麻省理工學(xué)院（MIT）的一個研究小組用多材料3D打印機(jī)研究了最強(qiáng)的輕質(zhì)材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片，他們創(chuàng)造出一種密度為鋼的5％、強(qiáng)度為鋼的10倍的材料。

研究人員通過對石墨烯片進(jìn)行熱和壓力的壓縮，他們最終得到一種堅固而穩(wěn)定、有點像珊瑚的結(jié)構(gòu)。隨即，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：正是這種不尋常的、類似珊瑚的形狀，使得壓縮后的石墨烯變得如此之強(qiáng)，而不是材料本身的性質(zhì)。因此，通過在塑料等其他更便宜的材料上復(fù)制這種3D形式，科學(xué)家可以更低的成本實現(xiàn)類似于石墨烯的強(qiáng)度。

當(dāng)把石墨烯結(jié)構(gòu)壓縮至極限時，研究人員發(fā)現(xiàn)他們得到了一種令人難以置信的堅固材料，其密度為鋼的5％，但強(qiáng)度卻是鋼的10倍。通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列，研究人員能用3D打印機(jī)部分重現(xiàn)這種最強(qiáng)材料。

石墨烯有如此優(yōu)良特性，它會替代鋼鐵嗎？

石墨烯的熱度在不斷上升

自2004年康斯坦丁博士通過膠帶從石墨上分離出石墨烯以來，關(guān)于石墨烯的話題就在不斷升溫。

近些年，各類媒體鋪天蓋地的報道終于將石墨烯推向了話題的風(fēng)口浪尖——醫(yī)療、地產(chǎn)、汽車、計算機(jī)、生物等行業(yè)都與此有關(guān)。一時間，石墨烯幾乎成為了前沿科技的代名詞，貌似在對外宣傳時不搭上石墨烯就不算高科技產(chǎn)業(yè)。石墨烯為何如此之火，真的會成為繼“煤炭、鋼鐵、硅”之后人類的第四大材料嗎？讓現(xiàn)實發(fā)展給我們答案吧。

第一種由單層原子構(gòu)成的材料

碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

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由于碳原子之間化學(xué)鍵的特性，石墨烯很頑強(qiáng)：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。石墨烯在可見光下透明，但不透氣。這些特征使得它適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。

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石墨烯的出現(xiàn)不亞于一次小型的能源革命

石墨烯特殊的物理結(jié)構(gòu)為其帶來了優(yōu)良的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，因此也是世界上電阻率最小的材料。所以，使用石墨烯制作的電池能量密度將高達(dá)600Wh/kg，而目前最先進(jìn)的鋰電池也僅為180Wh/kg。

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比如，石墨烯電池可以充電5分鐘，通話24小時。

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再加上石墨烯電池相對于傳統(tǒng)鋰電八分之一的重量和兩倍的壽命，聯(lián)想一下現(xiàn)今手機(jī)、電動汽車等行業(yè)的發(fā)展瓶頸……

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在未來最值得期待的領(lǐng)域——生物工程領(lǐng)域，石墨烯或為人類超級明星。

美國博伊西州立大學(xué)發(fā)表了一篇《石墨烯泡沫為肌管生長提供三維平臺》的文章，研究了石墨烯泡沫在肌肉組織中的應(yīng)用。結(jié)果表明石墨烯泡沫，適宜作為生長官能肌肉組織的支架材料。石墨烯本身是一種薄的碳層，所以被認(rèn)為是二位的平面材料，然而石墨烯泡沫是以石墨烯為原料的3D石墨烯。

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最終，研究人員把石墨烯和石墨烯泡沫的獨特性能，用在人體器官再生上。過去的研究已經(jīng)證實了可以在石墨烯泡沫上生長骨和軟骨，但這只是石墨烯泡沫與肌肉生長 相容性的第一歩研究。

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博伊西州立大學(xué)的材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授埃斯特拉達(dá)說：“我們希望能通過這些結(jié)果調(diào)查生命基本的化學(xué)變化，來向臨床應(yīng)用推進(jìn)。”未來通過石墨烯泡沫這種新型材料，可能會成為控制肌肉的開關(guān)，和控制肌肉的神經(jīng)類似，為殘疾人帶來福利也可能不會是空想了。

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光是最神秘的一種東西，而對于一種新的產(chǎn)生光的方式，將無人不予以跪拜。

美國麻省理工學(xué)院研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類似飛機(jī)超過音速時產(chǎn)生音爆的過程：電荷流過石墨烯，在某種情況下，能超過減慢了的光速，形成一種光“爆”，一種強(qiáng)烈的聚焦光束。

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這種全新的將電能轉(zhuǎn)化為可見光輻射方式是高度可控的，并且快速有效。研究人員表示，這種方式可能會帶來各種新的應(yīng)用。

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研究人員表示：“石墨烯能通過我們稱之為表面等離子體的方式捕獲光。等離子體是代表了表面電子振蕩的虛擬粒子。這些穿過石墨烯的等離子體的速度比在自由空間光的速度慢幾百倍。”這種特性也為石墨烯產(chǎn)生相反的效果提供了可能性：形成光而不是捕獲光。

許多科學(xué)研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個陷阱。

這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要費時、費力、費錢的手段：機(jī)械剝離法——先用膠帶粘到石墨上，再手工把石墨烯剝下來。

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別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

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雖然技術(shù)含量不高，但問題是成功率也不高，弄點兒樣品做研究還可以，工業(yè)化生產(chǎn)？哪怕?lián)碛腥�世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片……

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難道只能用膠帶一遍又一遍的粘么？當(dāng)然現(xiàn)在我們也有很多其他方法來增加產(chǎn)量、降低成本。

液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯“雪花”炸下來。

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化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。

直接生長法：在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。

還有化學(xué)氧化還原法：靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。

麻煩之處在于，使用這些辦法，產(chǎn)品質(zhì)量又不能保證。可以說，方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒有真的能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術(shù)。

石墨烯的“泡沫化”隱憂

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幾年時間里，石墨烯就已在國內(nèi)以迅猛之勢發(fā)展起來，不覺讓人們驚奇石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度之快、產(chǎn)品性能之好。但是在這些“光環(huán)”和驚奇的背后，也不禁使人質(zhì)疑。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前來說是先導(dǎo)領(lǐng)域，還沒真正形成自己的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展背后也還存在著一定的困難和問題。

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目前石墨烯產(chǎn)業(yè)的這種“紅火”現(xiàn)象也透露出了資本的過度炒作。石墨烯概念炒得太火，某些新聞缺乏客觀性，導(dǎo)致相關(guān)部門或企業(yè)對于石墨烯的認(rèn)識存在誤區(qū)，造成一種好像很簡單，“短平快”一夜暴富的氛圍。甚至有人至今仍然搞不清楚石墨烯與石墨的區(qū)別。

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毫無疑問，石墨烯會在未來發(fā)揮巨大的作用。未來很美好，路還是要一步一步的走。特別是在這個到處充滿急功近利的年代，泡沫無處不在。

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經(jīng)過幾年發(fā)展，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)基本形成以江蘇省為聚合區(qū)，其它多地碎片化存在的產(chǎn)業(yè)格局。據(jù)統(tǒng)計，我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。我國在石墨烯制備、手機(jī)觸摸屏、鋰離子電池以及復(fù)合材料等領(lǐng)域都取得了一定的研究成果，在一些領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。

目前，我國一些石墨烯龍頭企業(yè)發(fā)展水平位居世界前列。長期以來，有著“黑金子”之稱的石墨烯主要在實驗室以克為單位小批量生產(chǎn)，每克售價高達(dá)5000元。常州第六元素材料科技股份有限公司2013年開發(fā)出國內(nèi)首條大規(guī)模宏量制備、全自動控制的粉體石墨烯生產(chǎn)線，年產(chǎn)能達(dá)100噸，致使石墨烯價格下降為每克1~3元，讓石墨烯大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用成為可能。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展亮點頻現(xiàn)的同時，一些急功近利現(xiàn)象值得警惕。當(dāng)下，國際鼓勵發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，石墨烯成為其有力支撐，加之其巨大的商業(yè)價值，政企高漲的投資熱情致使大批資金流向石墨烯領(lǐng)域，行業(yè)規(guī)模急速膨脹，“泡沫化”傾向初顯。除江蘇外，重慶、寧波、青島、德陽、河北、北京等地亦在布局石墨烯產(chǎn)業(yè)。重慶將石墨烯列為十大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，寧波發(fā)布了《寧波市石墨烯技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2014~2023）》，目標(biāo)在10年內(nèi)將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成為具有千億元級產(chǎn)值規(guī)模的優(yōu)勢與特色產(chǎn)業(yè)。據(jù)《經(jīng)濟(jì)參考報》報道，在去產(chǎn)能方面，除了煤鋼產(chǎn)業(yè)，其他行業(yè)落后產(chǎn)能也將進(jìn)入去產(chǎn)能名單，包括汽車、新能源、石墨烯等行業(yè)的落后產(chǎn)能或?qū)⑷肓?/strong>。

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部分專家認(rèn)為，現(xiàn)下的石墨烯熱與當(dāng)年的造船、光伏投資沖動如出一轍，反映出企業(yè)和政府根深蒂固的投機(jī)性。一位石墨烯企業(yè)負(fù)責(zé)人甚至直言，這固然有企業(yè)家的盲目，但更多是地方政府的GDP沖動，背后蘊藏著“泡沫化”風(fēng)險不容小視。

曉昀

謝謝分享新材料的應(yīng)用！
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( ~4 I; K. [# W上周剛好有一個客戶來公司考察，談到他們使用新材料制造的換熱器——石墨烯換熱器，第一次聽說用石墨烯能制造換熱器。對這種材料的特性還不是很了解。

遠(yuǎn)祥

|曉昀發(fā)表于 03-09 11:18謝謝分享新材料的應(yīng)用！<br>
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4 p4 w# Z2 D( j3 d4 `4 ~4 A上周剛好有一個客戶來公司考察，談到他們使用新材料制造的換熱器——石墨烯換熱器，第一次聽說用石墨烯能制造換熱器。對這種材料的特性還不是很了解。

前輩客氣了，其實石墨烯材質(zhì)在日常生活中也會有廣泛的應(yīng)用，我已經(jīng)看到有不少的裝修店在售賣石墨烯材質(zhì)的石磚等。