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石墨烯地暖?目前还是行业里的一个笑话!

发布时间:10-17    作者:admin

最近两年,石墨烯概念的产品层出不穷,石墨烯概念的股票牛气冲天。就连通电发热的地暖,也冠以“石墨烯”的名头,对此,我只能用“呵呵”来表示了。

石墨烯——这种只有一个原子厚的二维碳膜——是人们发现的第一种由单层原子构成的材料 。虽然名字里带有石墨二字,但它跟石墨的关系也就仅限于都是C原子组成的,它既不依赖石墨储量也完全不是石墨的特性。石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好,看起来颇有未来神奇材料的风范。如果再把它的潜在用途开个清单——保护涂层,透明可弯折电子元件,超大容量电容器,等等——简直是改变世界的发明。2010年诺贝尔物理学奖授予了它的发明人——诺沃肖洛夫团队!

我印象中第一次见到“石墨烯”这个字眼,是一篇在朋友圈里火爆的文章,里面提到把它应用在电动汽车电子组中,充电5分钟,行驶1000公里,令人咋舌。

2015年,华为Mate8的上市,闹了个不大不小的笑话,也不只是他们负责PR的人有意还是无意,预先抛出了世界首台应用石墨烯电池手机的“重磅”,结果是落了个笑话,被鄙视为炒作。

那么,石墨烯到底离我们有多远?这里有几个问题,需要科学家们去研究、解决:

问题之一:制备方式
许多项研究向我们展示了石墨烯的惊人特征,但有一个陷阱。这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品,需要最费时费力费钱的手段:机械剥离法——用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯剥下来。

▲上图:诺沃肖洛夫团队捐赠给斯德哥尔摩的石墨、石墨烯和胶带。胶带上的签名“Andre Geim”就是和诺沃肖洛夫一同获得诺贝尔奖的人。(图片来源:wikipedia)
很接地气是不是?2004年诺沃肖洛夫他们就是这么干的。
虽然所需的设备和技术含量看起来都很低,但问题是成功率更低,弄点儿样品做研究还可以,工业化生产?开玩笑。要论产业化,这手段毫无用途。哪怕你掌握了全世界的石墨矿,一天又能剥下来几片?

当然现在我们有了很多其他方法,能增加产量、降低成本——麻烦是这些办法的产品质量又掉下去了。我们有液相剥离法:把石墨或者类似的含碳材料放进表面张力超高的液体里,然后超声轰炸把石墨烯雪花炸下来。我们有化学气相沉积法:让含碳的气体在铜表面上冷凝,形成的石墨烯薄层再剥下来。我们还有直接生长法,在两层硅中间直接设法长出一层石墨烯来。还有化学氧化还原法,靠氧原子的插入把石墨片层分离,如此等等。方法有很多,也各自有各自的适用范围,但是迄今为止还没有真的能适合工业化大规模推广生产的技术。

这些办法为什么做不出高质量的石墨烯?举个例子。虽然一片石墨烯的中央部分是完美的六元环,但在边缘部分往往会被打乱,成为五元或七元环。这看起来没啥大不了的,但是化学气相沉积法产生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、从一点上生长出来的一片。它其实是多个点同时生长产生的“多晶”,而没有办法能保证这多个点长出来的小片都能完整对齐。于是,这些畸形环不但分布在边缘,还存在于每“一片”这样做出来的石墨烯内部,成为结构弱点、容易断裂。更糟糕的是,石墨烯的这种断裂点不像多晶金属那样会自我愈合,而很可能要一直延伸下去。结果是整个石墨烯的强度要减半。材料是个麻烦的领域,想鱼与熊掌兼得不是不可能,但肯定没有那么快。

▲上图:显微镜下的一块石墨烯,伪色标记。每一“色块”代表一片石墨烯“单晶”。

问题之二:电学性能

石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏,电子纸,等等。但是目前而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。诺沃肖洛夫估计这个问题能在十年之内解决。

但是为啥我们不能干脆抛弃金属,全用石墨烯呢?这就是它在电子产品领域里最致命的问题。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上,而它有一个关键属性称为“带隙”:电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间,电流的流动才能有非对称性,电路才能有开和关两种状态——可是,石墨烯的导电性能实在太好了,它没有这个带隙,只能开不能关。只有电线没有逻辑电路是毫无用途的。所以要想靠石墨烯创造未来电子产品,取代硅基的晶体管,我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。目前针对这个领域的研究的确不少:多层复合材料,添加其他元素,改变结构等等;但是诺沃肖洛夫等人认为这个问题要真正解决,还要至少数十年。

等等,你们那些做“石墨烯发热地板的”,你是怎么解决“带隙”问题的?难道你们家的发热地板是只开不关,永久通电的?

问题之三:环境风险

石墨烯产业还有一个意想不到的麻烦:污染。石墨烯产业目前最成熟的产品之一可能是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”,它很便宜,虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端领域,作为电子纸等用途倒是相当不错;可是这东西对人体很可能是有毒的。有毒不要紧,只要它老老实实呆在电子产品里,那就没有任何问题;可是前不久研究者刚发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。虽然现在对它的环境影响下断言还为时太早,但这的确是个潜在问题。

老实说,你们的“石墨烯发热地板”是不是这个材料,想害人吗?

所以,石墨烯的命运究竟如何?

鉴于过去一段时间里学术界并无新的突破性进展,近日它的这波突发性“火热”,恐怕本质上还是资本运行的炒作结果,应审慎对待。作为工业技术,石墨烯看起来还有许多未能克服的困难。诺沃肖洛夫指出,目前石墨烯的应用还是受限于材料生产,所以那些使用最低级最廉价石墨烯的产品(譬如氧化石墨烯纳米颗粒,就是有毒的那哥们),会最先面世,可能只需几年;但是那些依赖于高纯度石墨烯的产品可能还要数十年才能开发出来。对于它能否取代现有的产品线,诺沃肖洛夫依然心存疑虑。

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