石墨烯是什么

關注：94 發布時間：2021-11-19 16:41:42

近年來，我們經常聽到石墨烯這個詞，經常看到各種媒體發表各種研究進展，聽到關于它如何改變我們生活的報道。那么，石墨烯是什么，它真的有這么強大嗎？它在科學界是如何發揮作用的，現在能商業化使用嗎？那么讓我們來認識一下科學界的明星——石墨烯

什么是石墨烯？

我們都知道碳是什么。碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期組iva。拉丁文為carbonium，意為“煤、木炭”。碳是一種非常常見的元素，以各種形式廣泛存在于大氣、地殼和生物體內。也許你知道石墨是什么，但石墨烯不知道。其實石墨烯是由碳構成的，只是結構不同于普通的碳。就像我們熟知的鉆石，其實是一種碳，只是碳原子的空間結構不同。

金剛石中的碳原子結構

石墨烯與石墨分離，是一種具有單原子層的二維碳納米材料。各層碳原子以共價鍵連接，呈現蜂窩狀點陣結構。石墨是一種常見的礦物，由多層碳原子組成，具有層狀結構。這些層可以相互剝離。所以石墨可以用來做鉛筆，寫字的時候會留下寫字的痕跡。石墨對我們來說是一種非常常見的物質。石墨烯是納米尺寸的單層二維結構。

石墨礦物

石墨的層狀原子結構

石墨烯的結構如下圖所示，碳原子以六元環的形式排列在同一平面。碳原子以鍵的形式相互連接，每個碳原子會形成三個鍵，使得石墨烯具有良好的力學性能。碳原子周圍剩余的價電子將形成垂直于碳平面的共軛大鍵，從而電子可在石墨烯平面間自由移動,效應也保證了石墨烯優異的導電性。石墨烯中的長程共軛鍵使其具有良好的熱力學性能,機械性能和導電性能.性質

石墨烯的原子結構

大鍵的形成

2004年，科學雜志報道曼徹斯特大學的安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫成功分離出穩定的石墨烯，并討論了石墨烯材料的基本性質。長期以來，人們一直認為單原子層的二維物質是不穩定的，在自然界是不可能獲得的。直到2004年，novoselov等人使用非常簡單的膠帶剝離法將石墨剝離成單層石墨烯，開啟了石墨烯等二維納米材料的新時代。他們對石墨烯的研究獲得了2010年諾物理學獎，在范圍內引起轟動，推動了石墨烯材料的研究，推動了石墨烯在物理、化學、材料、生物醫學和環境方面的研究。新的商業化石墨烯產品也正在出現。許多政*已經將石墨烯材料列為國家重點發展對象，對石墨烯材料的投資也在不斷增加。近年來，關于石墨烯的研究報告呈指數級增長，許多問題和困惑層出不窮。

石墨烯有何優異的性能

1.導電性

石墨烯結構非常穩定，到目前為止，研究人員還沒有發現石墨烯中缺少碳原子。石墨烯中碳原子之間的連接非常靈活。當外加機械力時，碳原子平面彎曲變形，不需要重新排列碳原子來適應外力，結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優異的導電性。石墨烯中的電子在軌道上運動時，不會因為晶格缺陷或者外界源的引入而發生散射。因為原子間作用力很強，即使室溫下周圍碳原子發生碰撞，石墨烯中電子的干擾也很小。石墨烯比較大的特點是電子的運動速度達到光速的1/300，遠遠超過一般導體中電子的運動速度。這使得石墨烯中電子的性質，或者更準確地說是“載流子”，非常類似于相對論中微子。

2.機械特性

石墨烯是人類已知的強度比較高的材料，比金剛石還硬，比上比較好的鋼還要強100倍。并且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達到1.0tpa，固有拉伸強度為130gpa。氫等離子體改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量為0.25tpa，但其斷裂強度未見報道。此外，目前人們已經組裝成一種紙狀材料。該材料的平均彈性模量和比較大斷裂強度分別達到32兆帕和120兆帕。

石墨烯碳納米管

3.熱性能

石墨烯具有非常好的導熱性。純無缺陷單層石墨烯的熱導率高達5300w/mk，是目前為止熱導率比較高的碳材料，高于單壁碳納米管(3500 w/mk)和多壁碳納米管(3000 w/mk)。當用作載體時，其熱導率也可達600 w/mk。

石墨烯能夠將電子產品運行中產生的大量熱量快速擴散到空氣中，從而獲得更好的工作性能和穩定性，在電子設備散熱方面具有非常廣闊的應用前景。石墨烯因其高熱電轉換效率和獨特的物理化學性質而引起了許多科學家的關注。比較近的研究發現，石墨烯由于其透明性、柔性、快速加熱和石墨烯片上的溫度均勻性而被認為是理想的加熱元件。

現在很多智能旗艦手機都采用石墨烯貼片散熱，以充分發揮手機的性能。

手機用石墨烯散熱

hucs.com/images/20200504/4633 ecf 5130 f 49 e8 a 0172 a 1050061d 12 . jpeg " class=" align center "

石墨烯的工業應用領域

代替硅生產半導體芯片

目前，晶體管由昂貴的硅制成，應用于電子設備時會產生熱量。運行速度越快，電子的高速碰撞越激烈，產生的熱量越多，這也是限制電子產品運行速度的重要因素。由于室溫下的量子自旋霍爾效應，電子沒有穿過石墨烯的阻力，產生的熱量很少。而且石墨烯本身導熱系數高，產生的熱量會很快消散，所以石墨烯電子產品的運行速度比硅高。石墨烯也可以用來制備射頻晶體管。目前，射頻晶體管主要使用半導體材料硅或更昂貴的磷化銦。在相同的工作電壓下，石墨烯中電子的速度是磷化銦的10倍，硅的100倍。

半導體晶片

研究人員還證明，在石墨烯中摻雜一定數量的多電子分子可以改變石墨烯的電化學特性，并在此基礎上制備了n型晶體管，這是邁向石墨烯基電路的關鍵一步。估計石墨烯芯片處理器的頻率有望達到1 thz以上。雖然石墨烯的研究還處于基礎研究階段，但由于其優異的性能和以低成本石墨為原料，用石墨烯代替硅制造電子產品的應用前景非常廣闊。

柔性顯示

石墨烯具有良好的導電性、透明性、柔韌性和良好的機械強度，在柔性顯示領域具有廣闊的應用前景。相對于ito，石墨烯具有更好的柔韌性和透光率。這種超柔性石墨烯層使許多產品成為可能，包括可折疊電子產品、柔性觸摸屏和可穿戴設備。

柔性顯示屏

鋰離子電池

常規鋰電池的非碳基負極材料主要包括錫基,硅基等過渡金屬材料.在鋰電池過程中，由于充放電過程中的熱脹冷縮和應力變化，負極材料容易脫落和開裂，導致循環性能顯著下降。添加石墨烯改性復合材料不僅可以提高材料的穩定性、導電性和儲鋰能力，還可以延長其使用壽命，符合電池行業的發展理念。同時，石墨烯由于其優異的導電性和力學性能，也可以應用于鋰電池的負極材料。石墨烯可以改善一些儲鋰容量高但電導率低的材料的性能，還可以增強陰極材料的力學性能，延長其使用壽命。石墨烯還可以作為電極材料的添加劑，增強添加劑的導電性，提高其循環性能和高速率性能。通過不斷的實驗和研究，石墨烯可以逐漸取代石墨、乙炔黑等常規電池添加劑。

石墨烯對現代工業影響很大，不僅涉及工業，還涉及軍事。自2004年發現以來，石墨烯因其獨特的物理和化學性質，如力學、光學和電學，吸引了各地許多科學家的關注。正是因為石墨烯在材料領域的迅速崛起，一些二維納米材料(如氮化硼、二硫化鉬、黑磷等。)結構相似的也蓬勃發展起來，整個二維納米材料家族吸引了全科學家的目光。目前，雖然有很多關于石墨烯制備方法的報道，但由于各種制備方法的局限性，石墨烯的應用研究和工業發展受到限制。如何找到一種低成本大規模生產高質量石墨烯的方法仍然是目前石墨烯研究的重點。此外，加速石墨烯的功能化和復合材料的研究也可以拓寬其應用領域。隨著科學家研究的深入，石墨烯及其復合材料將在新能源材料、生物醫學、水凈化、納米電子器件等領域具有廣闊的應用前景。

問美的石墨烯電熱毯有危害性嗎

這款漂亮的石墨烯電熱毯加熱速度快，10秒鐘就能快速升溫，加熱特別均勻。老式電熱毯沒有局部過熱的問題，溫度很舒服，一點也不會覺得灼熱。還有第三個恒溫，可以隨意調節。石墨烯在加熱過程中能產生與人體同頻率的光波，能有效緩解酸痛和疲勞。穿石墨烯比較暖和，可以放松肌肉，所以我無法享受它的胸和袖口的設計。晚上加班坐著或者追劇的時候，可以直接把石墨烯穿在身上，不會滑落，一點都不重，沒有束縛感。不干擾按手機和用電腦超緊超暖，冷風也不再能阻擋工人的努力。這個設計也很適合我爸媽晚上看抗日劇。它用的雙層水晶軟絨面料手感很好，折疊成小塊，完全不占地。也方便旅游，住爺爺奶奶家，去哪都可以帶。

問若水石墨烯輕顏嫩膚儀使用方法

我以前從未用過這種儀器。都是手持的，比較麻煩。它可以解放雙手，在工作或追劇的時候蒸臉。是一個隨時隨地滿臉的spa。一層很像護甲戰士，但是皮膚回春效果真的很好。據說有撫平細紋、提拉嫩膚、深層補水的。令她驚訝的是，她還有淡化點、去除痘印的。我覺得比較明顯的效果是補水嫩膚，一些淺痘印也淡化了。每次做美容，都覺得皮膚會細膩嫩滑。我不得不提到，這臺儀器更好的地方是它持續發熱。之前用美顏儀的時候臉總是又熱又紅，皮膚比較敏感，就沒用這個。有輕微發燒，總體來說臉還是挺舒服的。使用美容儀器前，一定要喝一杯溫水，這有助于皮膚水合和代謝。然后，潔面后，涂上一些爽膚水或者精華液，再戴上這個嫩膚儀。戴上20分鐘左右，然后用爽膚水把臉上代謝的殘留物清理干凈，然后正常的護膚步驟就可以了！

問法格石墨烯取暖器好不好用

與市場上的加熱器不同，加熱器可以在360度散熱，內部有石墨烯涂層。石墨烯是一種新型高效的加熱材料，通過紅外線進行散射，沒有吹的聲音，不消耗水，溫而不燥。我先試了一下，真的很燙。過了一會兒，整個屋子暖和起來了。過了一會兒，感覺沒干。感覺很好！而且石墨烯也是一種安全的新能源，母嬰都可以放心取暖。老公說石墨烯熱效率更高，但是同樣的熱量比大功率加熱器省電一半。今年冬天用費格取暖器我不怕做！這款fargo遠紅外石墨烯加熱器，不像之前買的老式加熱器，只能單面出風，而且是360熱對流，從10到30只需要23分鐘加熱，真的超級快！兩米之內就可以暖和，一家人坐在溫暖的房間里邊喝茶邊聊天很開心。而且這個取暖器比傳統取暖器還省電50%，用起來不會有異味，真的很好！每次睡覺都會搬到自己房間，方便快捷。晚上睡覺的時候，可以隨時調整時間關閉電源，不用擔心浪費電。真的是愛！

問石墨烯電池對人體傷害多大

石墨烯是從石墨材料上剝離下來的碳原子組成的二維晶體，是上已知比較薄的材料。石墨烯是石墨一個個疊起來的。一毫米厚的石墨含有大約300萬層石墨烯。當鉛筆在紙上輕輕劃過時，留下的痕跡可能是幾層，甚至只有一層石墨烯。納米材料的石墨烯比以前的材料更穩定，使用壽命更長。因此，石墨烯可以用于許多領域：

然而，石墨烯對人體和環境有潛在的危害。我們只知道石墨烯會給人帶來的好消息，但不能忽視它對人體的危害。1.布朗大學的生物學家、工程師和材料科學家檢測到石墨烯對人類的潛在毒性。他們發現石墨烯納米顆粒的鋸齒狀邊緣非常尖銳和牢固，可以很容易地滲透到人體皮膚和免疫的膜中。可見石墨烯確實對人類和其他動物有潛在的危害。石墨烯可以被無意吸入。

加州大學伯恩斯工程學院發現，氧化石墨烯納米粒子如果找到進入地表或地下水的途徑，會對環境產生影響。團隊研究的有機物較少的地下水資源硬度較高，氧化石墨烯納米粒子在這樣的環境中會變得不穩定，形成沉淀。

目前發現石墨烯對皮膚、眼睛、呼吸有潛在的危害和刺激性，沒有實驗表明是否存在致風險或潛在危險。