【化工科普12】已知最薄的材料——新材料之王石墨烯
石墨烯，人类已知的最薄材料，仅有一个原子层的厚度0.355纳米。准确来说这是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。
它原本就存在于自然界之中，只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。我们拿铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是几层石墨烯。
而直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯。而这个方法就像我们小时候用胶带把纸上的错别字粘掉一样，把数层石墨烯剥离成单层，两人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
而人们之所以孜孜以求的制备石墨烯，就是因为它具有超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔性和高强度等出色的材料特性。
机械强度最大，比钢强韧200倍
导电性最好，是银的1.6倍
拉伸性强，可以拉伸到自身长度的20%
导热性最好，是铜的13倍，银的10倍
这使得其应用领域非常广泛，主要集中在基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。被认为是一种未来革命性的材料。
光电产品领域的应用
1、导电添加剂及电极复合材料
将石墨烯作为正负极材料或正负极添加剂，例如石墨烯锂离子电池、石墨烯燃料电池、石墨烯超级电容等。可以有效降低电阻，提升电池导电率，提高电池倍率和充放电性能，延长电池循环寿命。
石墨烯钛酸锂汽车电池，可在15~20分钟内实现快速闪充，采用石墨烯电池的油电混合动力汽车，一般的续航里程都在900公里左右。
2、高性能芯片
石墨烯将可能取代硅，成为下一代的半导体和集成电路材料，其性能要比硅晶体管强5倍。因为具有高导电、高导热性和结构的高稳定性，让石墨烯所制成的晶体管不仅能负荷极强功率，还能保持高度稳定。
早在2013年，美国斯坦福大学就采用碳纳米管制造出了由 178 个晶体管组成的计算机原型，使人们看到了碳基电子时代的曙光。
3、柔性显示屏
因为石墨烯具有良好的柔韧度、优良的导电性和光学透性，只要和聚酯材料组合就是良好的柔性屏幕，用在手机、平板屏幕上。
目前市场上使用最多的柔性显示屏为 ITO 膜（陶瓷材料氧化铟锡），但弯折后就不再具有导电性，无法满足未来移动设备、可穿戴设备柔性显示屏的需求，而石墨烯薄膜因其良好的导电性，柔性，透光性，均优于 ITO 膜，更适合柔性显示屏未来发展趋势，被认为是完美替代 ITO 膜的材料。
复合材料领域的应用
1、绿色混凝土
如果在混凝土中加入重量小于0.1%的石墨烯，混凝土的强度就会提高30%。更坚固的混凝土意味着需要更少的混凝土，从而减少二氧化碳排放。海洋水泥中加入0.005%的石墨烯可以使其抗氯、抗腐蚀的能力提高40%。
2、除污海绵
将石墨烯涂层均匀地包裹在普通海绵表面，并利用其导电性、疏水性和亲油性来吸收泄漏在海面上的浮油，可吸附容量达自身重量的数百倍。
3、海水淡化滤膜
相比淡水储量，地球上的海水储量更为丰富，可淡化海水的成本极其昂贵，且需要耗费大量的资源。由石墨烯制成的滤膜具有选择性，能够让水分子通过，将盐离子过滤掉。不需要高温和高压，是海水淡化的低成本替代品。
生物医药领域的应用
1、DNA测序
石墨烯之间具有孔洞，生物的DNA分子在通过时，不同的碱基对于石墨烯影响不同，利用不同的电流可以探知DNA的细节，并且多层石墨烯在精度上优于单层石墨烯。
2、抗菌抑菌
当细菌与石墨烯基材料接触时，锋利的片层可以刺穿细菌胞膜杀死细菌，或是通过电荷的转移，破坏细菌的膜结构，导致细菌死亡。
3、诊断病症
由于石墨烯的强吸附性，可以更好的捕获核酸分子生物标记物，通过分析得出人体是否有癌变，是什么样的癌症。印度CSIR公司设计出一种石墨烯量子点和聚酰胺-胺( PAMAM) 纳米复合修饰金电极超敏心肌肌钙蛋白I抗体，用于快速检测人心肌梗死。
如今，我国政府高度重视石墨烯产业发展，石墨烯早已列入我国“十三五规划”的 165 项重大工程。目前已形成京津冀鲁、长江三角洲和珠江三角洲的三大聚合区，多地分布式发展的石墨烯产业格局。
总的来说，作为一种未来材料，石墨烯的潜力有目共睹，但离普通人便捷使用仍有不小差距。科技在被展望时总是那么声势浩大，而在实现时，却又变得悄无声息，而正是这种悄无声息，才能证明我们所有人的生活都早已被彻底改变。
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