新材料之王——石墨烯应用前景广阔

2023-04-18 10:51:53 来源：材料PLUS

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简介：石墨烯是从石墨材料中剥离出来由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，被称为21世纪最神奇的材料，是目前世界上最轻、最薄、硬度最高、韧性最强且导电导热性能都很好的新型纳米材料之一，也被成为新材料之王。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，被称为21世纪最神奇的材料，是目前世界上最轻、最薄、硬度最高、韧性最强且导电导热性能都很好的新型纳米材料之一，也被成为新材料之王。

2004年，盖姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)通过“撕胶带”的方式获得了单层石墨结构。他们使用普通胶带用纯石墨剥离石墨烯层，直到只剩下一层石墨烯，将胶带组件溶解在丙酮中并干燥后，就可以在显微镜下观察到石墨烯。6年后，因这一开创性实验研究，盖姆与诺沃肖洛夫共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯在室温下呈现出创纪录磁阻

而在石墨烯被发现近20年后，一项研究表明，它是人们所知的最具抗磁性能，即磁阻的材料。据《中国科学报》报道，英国曼彻斯特大学的Andre Geim和同事研究发现，石墨烯在室温下具有前所未有的磁阻。相关研究成果于4月13日发表于《自然》。

大多数材料仅在非常低的温度下显示磁阻。为了揭示这一现象，研究团队首先在一些石墨烯上施加电场，以平衡其电荷载流子的数量。然后，研究人员使用电场调整有缺陷的石墨烯的结构，以便在更原始的状态下研究这种材料。接下来，研究人员对石墨烯施加不同的磁场，以测量其磁阻的变化。

研究人员表示，在这项实验中，石墨烯在室温下比之前测试的任何其他材料(如石墨和铋等)都更具磁阻。

磁阻材料已经被用于数据存储设备中。英国兰卡斯特大学的Leonid Ponomarenko在一份声明中表示，研究人员计划继续研究石墨烯，称其“应用将随之而来”。

性能优异的石墨烯

根据北京大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士刘忠范介绍，石墨烯是一种非常薄、导电性特别好的材料。通俗来讲，就是电子在石墨烯里面可以跑得非常快。石墨烯优异的导电性能也决定其是一种非常好的导电材料。

其次，石墨烯的导热性特别好，理论上它的热导率可以到5300W/(m·K)，而金刚石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的导热性是目前为止已知材料中最好的，运用石墨烯的导热性，可以用来做散热膜;同时因为石墨烯结构的特殊性，可以用来做发热膜。比如国内现在有用石墨烯作画的，这个画既可以用来欣赏，也有加热的功能。

此外，因为石墨烯导电性好且表面积特别大，所以目前国内比较多的做法是把石墨烯放到锂离子电池中做添加剂。添加石墨烯后可以显著提高锂离子电池的性能、寿命以及循环次数。

值得一提的是，因为一层两层的石墨烯是透明的，可以用做触摸屏、触控屏。目前市场上一般是用ITO来做触摸屏，ITO作为一种玻璃，不具备柔韧性，而石墨烯的柔性特质则决定其可以来回曲折。

石墨烯产业应用前景广阔

石墨烯被誉为“材料之王”，是迄今为止自然界唯一厚度最薄、硬度最高和导热导电性能最好的新材料。目前，石墨烯已在智能穿戴、新能源电池、电子元器件等多个领域推广试用。

石墨烯行业的发展越来越得到国家重视。2012年工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，首次明确提出支持石墨烯新材料的发展。之后，我国先后出台《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》《新材料产业发展指南》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等文件，确立石墨烯在新时代我国制造业发展中的重要战略地位，鼓励在电化学储能、海洋工程和柔性电子器件等领域拓展石墨烯应用。

作为石墨资源大国和全球制造业大国，我国在石墨烯应用方面具有巨大的市场空间。在国家及地方政府的支持下，近几年我国石墨烯产业化快速发展，初步构建起以石墨烯原材料、研发、制备和应用为主体的产业链。

得益于近年来我国新能源、半导体和医疗器械等产业的迅速发展，石墨烯需求量随之不断增长，推动行业规模的持续扩张。