石墨烯的重量和强度是怎样的？

2025-03-26 19:55:49

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回答1：

2004年，曼彻斯特大学的两名科学家进行了一项看似简单的实验，其结果可能会改变世界。研究人员安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫正在玩铅笔尖上的石墨。石墨是由超薄的纯碳片叠在一起而成的。Geim和Novoselov想看看他们是否能分离出一片石墨，一层不可能薄到只有一个原子厚的碳层。

所以，他们抓起一卷胶带。是的，和你放在垃圾抽屉里的透明胶带一样。以下是盖姆如何描述他的技术：

“您将[胶带]放在石墨或云母上，然后剥去顶层。胶带上会掉落石墨薄片。然后将胶带对折，然后将其粘贴到顶部的薄片上，然后再分开。您将这个过程重复10或20次。每次，薄片都变得越来越薄。最后，您将非常薄的薄片附着在磁带上。溶解磁带，一切都溶解了。”

粘胶带方法有效！通过隔离单层碳，Geim和Novoselov发现了一种崭新的材料，即石墨烯，该材料现在被认为是地球上最坚固，最轻和最导电的物质。

2010年，Geim和Novoselov 因发现石墨烯而获得了诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始呼吁使用这种非凡的“超材料”来制造功能更强大，寿命更长的电池，更快的微芯片，柔性电路，可植入生物传感器和更多。十年后，石墨烯尚未兑现被大肆宣传的承诺，但业内人士有信心，我们最终将在未来几年看到使用基于石墨烯的技术的智能手机，电动汽车和传感器。

为什么石墨烯是超材料？

一片石墨烯厚度仅为一个原子厚，可以检查超材料的所有盒子：

石墨烯的重量比钢强200倍。

它比纸张轻1000倍。

它是98％透明的。

在室温下，它的导电性能优于任何其他已知材料。

它可以将任何波长的光转换为电流。

最后但并非最不重要的一点是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我们不太可能耗尽

石墨烯具有超强的结构。如果可以放大得足够近，您会发现一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。各个碳原子以类似于鸡丝的六边形图案排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价键合，从而使该材料具有不可思议的强度。

为什么石墨烯导电性如此好？同样，由于那些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳中都有四个电子，但是这些电子中只有三个与其相邻的三个碳原子共享。剩余的电子称为pi电子，并且可以在三维空间中自由移动，这使它可以在几乎没有电阻的情况下跨石墨烯片传输电荷。实际上，石墨烯是室温下任何已知物质中最快的电导体。

三个小瓶中石墨烯的进程。左边的小瓶是石墨，中间的小瓶是石墨膨胀的，而右边的小瓶是石墨烯。

最近的一项发现可能会给石墨烯的自吹自擂增添另一个超级力量。麻省理工学院（MIT）的一个研究小组正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——突然发现了石墨烯的一种几乎神奇的新特性。当这些层彼此稍微偏离直线旋转时（精确到1.1度），石墨烯就变成了超导体。超导体是最稀有的一类导电材料，它完全没有电阻和零热量。

石墨烯“神奇角度”的发现在科学界掀起了轩然大波。尽管这项实验是在极端低温下进行的（接近0摄氏度或零下459.67华氏度），但它揭示了一种可能性，即通过将石墨烯与其他超导元素结合起来，我们比以往任何时候都更接近于室温超导电性。这样的成就将从根本上提高从小玩意到汽车到整个电网的能源效率。

石墨烯如何改变技术？

纳米技术教授、剑桥石墨烯中心主任安德烈·费拉里（Andrea Ferrari）说，超导性还需要几十年的时间，但基于石墨烯的革命性产品上市要快得多。

“到2024年，市场上将有各种各样的石墨烯产品，”法拉利说，“包括电池、光子学、夜视摄像头等等。”

多年来，消费者一直在热切等待石墨烯电池。我们所有的电子产品中的锂离子电池充电速度相对较慢，很快就会失去能量，在一系列的循环之后就会耗尽。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上最有效的导电体，它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯基电池有望比锂离子电池快5倍充电速度，比锂离子电池寿命长3倍，循环次数是锂离子电池的5倍。

三星（Samsung）和虎威（Huwei）等电子企业正积极开发用于智能手机和其他电子产品的石墨烯电池，但这些电池最早将于2021年面市。至于电动汽车中的石墨烯电池——这会大大增加它们的行驶半径——这还需要几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术上，不会一夜之间改变。

“电池行业非常保守，”Graphanea的首席执行官Jesus de la Fuente说。Graphanea是一家生产纯石墨烯和基于石墨烯的芯片并向学术研究人员和研发部门销售的公司它可能每五到十年改变几次电池的成分，这使得在这个行业中引进新产品非常困难。”

市面上有几种石墨烯电池，包括一家名为Real graphene的公司生产的有线和无线充电器，但这些只是冰山一角，同时也是石墨烯旗舰产品的科技官员的法拉利说，一项由欧盟出资10亿欧元的合作项目，旨在加速石墨烯技术的发展。与旗舰公司合作的研究伙伴已经在制造石墨烯电池，其性能比当今最好的高能电池高出20%的容量和15%的能量。其他研究小组制造了石墨烯太阳能电池，这种电池将太阳光转化为电能的效率提高了20%。

石墨烯的其他用途

尽管石墨烯电池可能首先进入市场，但研究人员正在忙于开发这种奇迹材料的无数其他应用。

生物传感器很重要。想象一下一个非常薄且灵活的芯片，可以将其注射到血液中以监控实时健康数据，例如胰岛素水平或血压。或者是石墨烯界面，它可以向大脑来回发送信号，以检测即将发生的癫痫发作，甚至可以预防癫痫发作。细长的可伸缩传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的织物上。

中国物理学教授严峰博士于2015年拥有具有石墨烯电极的低成本半透明太阳能电池的新发明。

光子学是另一个已经加入石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到感光芯片中，相机和其他传感器可以大大提高对可见光谱和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅能提高照相机和望远镜的图像质量，而且还能改善医学图像。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。用石墨烯聚合物制造的简单净水过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。石墨烯旗舰公司的研究人员还开发了基于石墨烯二极管的脱盐技术，这种技术可以去除海水中超过60%的盐，用于农业和其他用途。

所有这些发展都需要时间，但剑桥石墨烯中心的法拉利相信石墨烯将不辜负其大肆宣传。事实上，他同样对尚未被发现的2000种单分子层材料的性质感到兴奋，这些材料也正在被分离，胶带法或其他方法。

“我们说石墨烯，但我们实际上是在探讨大量的选择，”法拉利说事情正朝着正确的方向发展。”

回答2：

石墨烯重量非常轻，强度非常高，是一种非常优秀的材料，值得研究。

回答3：

石墨烯的重量是比较小的，而且硬度也是比较低的，在发掘当中经常被用来去做一些软性物质的材料。

回答4：

石墨烯重量是非常轻的，但是它相同重量的强度是非常大的，所以说石墨烯在很多领域应用都非常有前景。

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