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图片来历@视觉中国
塑料，是20世纪最巨大的发现之一。1869年，印刷工人约翰·海厄特发现，在硝化纤维中加进樟脑，改性后的硝化纤维柔韧性和刚性都很是优异，经过热压后可制成各类外形的制品，这类材料被命名为“Celluloid（赛璐珞）”，这也是最陈腐的塑料制品。三年后，这类陈腐的塑料制品起头投产，大部分用于象牙代用品、马车和汽车的风挡和电影胶片等，今后开创了塑料产业。 不外，塑料的爆发利用，则来自于1907年的贝克兰分解了可塑性材料，可塑性材料为尔后各类塑料的发现和生产奠基了根本，并逐步走进了电话、收音机、枪枝、咖啡壶、台球、珠宝，甚至第一枚原子弹里。 而现在，一种可以与塑料媲美的新材料已经诞生，那就是石墨烯。正如塑料对这个天下的改变一样，石墨烯也正在改变天下。假如说塑料的发现是20世纪的最巨大的新材料，那末，石墨烯也许就将成为21世纪的倾覆性材料——石墨烯所彰显的剧变的气力，一点也不比当初的塑料少。 从塑推测石墨烯塑料和石墨烯一样，都是由碳基份子构成的。碳原子的长链和其他元素依照反复结构单元毗连在一路，这凡是被称为聚合物，也就是塑料的专业称号。只不外，塑料瓶和购物袋并不是唯一的高份子聚合物形式。包括淀粉、卵白质或 DNA 在内的自然聚合物都是促进身材性能运转的要素。 现实上，聚合物很早就已被人类发现，但一向未能投人重要利用傍边。直至在人类 20 世纪初初次从石油傍边提炼出聚合物后，它才获得大范围利用。1907年，利奥·贝克兰发现的第一种塑料制品就是聚合物，尔后，一系列为人熟知的塑料品种才相继出现，包括聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯（PVC）聚乙烯、尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯等等。 当前，塑料几近在一切范畴都获得普遍利用——人们用聚对苯二甲酸乙烯制成的瓶子喝水；穿着尼龙和聚酯纤维制成的打扮，开着装备各类塑料部件的汽车；人们乘坐的飞机上都是装有塑料的舱顶行李箱；而人们平常利用的收音机、电视和电脑则全数采用流线型的塑料外壳。 而曩昔这类对于塑料利用的想像，明天也被人们千篇一概地复制在了石墨烯上。2010年10月5日，瑞典皇家学院公布了昔时诺贝尔物理学奖获奖者及其获奖来由：安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）制备出了石墨烯材料，并发现其所具有的非凡属性，向天下展现了量子物理的奇妙。 现实上，石墨烯的理论研讨距今不外60多年的历史，其曾被以为是假定性的结构，没法零丁稳定存在。现实中，人们常见的石墨就是由无数层石墨烯堆叠在一路组成的（厚1毫米的石墨大约包括300百万层石墨烯），用铅笔在纸上悄悄画过，留下的痕迹就有能够是一层或数层石墨烯。由于石墨的层间感化力较弱，很轻易相互剥离成薄薄的石墨片。假如能找到方式将石墨薄片进一步剥成只要一个碳原子厚度的单层，就能获得石墨烯。 正是基于这一道理，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年用机械剥离法初次成功地在尝试中从石墨平分手出石墨烯，即一种由乙苯环结构周期性慎密聚积的碳原子组成的二维碳材料。特别的结构使得石墨烯成为组成其他石墨材料的根基单元，它既可以翘曲成零维的富勒烯（巴基球），也能卷成一维的碳纳米管，还可以堆垛成三维的石墨。 不外，石墨烯最著名也最奇异的一点，就是：它是一种二维材料。石墨烯固然有厚度，可是只要一个碳原子那末厚，稍微薄一点大概厚一点都不是石墨烯。假如加一层碳原子到石墨烯上，就成了石墨；假如从石墨烯中取走一层碳原子就什么也不剩了。石墨烯的发现不但打破了自然界中不成能存在二维结构物资的传统看法，极大地充实了碳材家属，还为促进传统产业转型升级、引领计谋性新兴产业快速突起找到了关键材料。 而石墨烯的奇异同性正是由这类怪异的结构赋予的——用肉眼观察，石墨烯呈黑色粉末状，握在手里轻若无物，但却是今朝人类已知的导电导热性最好、重量最轻、强度最大、韧性最好并具有极高透光率和高比概况积的材料。凭仗本身杰出的光、电、热、力等性能，石墨烯被人们寄与了诸多超乎设想的功用，并成为碳时代的“黑金”。 新材料的希望众所周知，材料是人类赖以保存和成长的物资根本，鞭策着整小我类文化的演变。从木石泥，到铜铁钢，再到硅晶片、碳纤维，历史经历表白，人类社会每一个新时代城市有一种新材料出现，而这类新材料常常成为那一时代生产力提升的“策动机”。不外，对于曩昔的材料来说，都没法逃走随着利用时候的耽误而出现消耗的宿命。 比如，牛仔裤会因穿着时候长，面料变得稀疏，甚至出现小洞；厨房搅拌机终极会由于用于调剂马达速度和搅拌强度的齿轮因持久磨损而完全断裂而没法启动；连汽车也会由于变速器的老化而报废，随着时候的推移，磨擦会形成消耗，传动装配自然就会生效。 而材料终极会走向消耗的底子缘由，实在很简单，就是由于磨擦力的存在。当两个概况相互磨擦时，现实的打仗点只要纳米巨细——只不外是在几个原子间发生磨擦。形成磨擦的缘由则相对复杂，既要斟酌概况的粗糙度，又要斟酌材料外形的细小变化和概况的净化情况。在出现磨擦时，活动概况间发生的能量将转化为热能，从而致使一些潜伏的破坏性成果。 比如，汽车策动机内的活动部件以及驾驶进程中此类部件相互磨擦发生的热量，就是我们利用机油和冷却系统的首要缘由。假如不停止光滑和冷却，策动机发生的热量将敏捷损毁策动机，还有能够致使汽车起火。 但是，石墨烯却完善处理了曩昔材料由于磨擦力而致使的缺点。基于这个特征，当前，石墨烯涂料现已利用于小型机械部件，不但可以明显进步部件的利用寿命，而且几近可以避免因磨擦发生的无效热量。 不但如此，当石墨烯利用于微型机械时，人们还可以在石墨烯涂层中有挑选性地增加杂质，以实现原子级的校准。这样一来，除了在指定的活动偏向上几近可以完全避免磨擦发生外，同时还可以让其他偏向上的活动仍能发生磨擦。这类被动的自我校准计划已经过尝试室测试。 除了磨擦力小之外，石墨烯还具有别的一项反动性的利用代价，就是超高的强度。现在，各类产物提升强度和抗断裂性能的方式之一就是加大产物的体积：增加塑料或木板的厚度，使其不易破裂；经过加大密度来提升材料的强度；附加梁木或固件来分管材料在利用进程中承受的压力。这些处理法子城市发生一个配合的副感化——在提升强度的同时，也增加物体的重量。随着而来的题目是，人们能否会愿意为了实现防摔的功用而增加物品的重量？ 不但如此，对于汽车来说，在某些硬件处利用密度更大的材料凡是会使平安性获得提升，但是车身的重量一旦增加，燃油的经济性便会下降。而只要利用石墨烯取代传统的装备强化方式，我们便可以在使物品加倍坚忍的同时使物品的重量更轻。不管是并未发生本色性损毁的汽车引擎和轮胎，还是无需因平常磨损而频仍保护的机械装备，石墨烯几近都可以改良它们的耐用性能。 最初，也是石墨烯最为人们所期待的特征，就是“简便和柔韧”的特征。石墨烯是由排列在平面上的单层原子组成的，不但很是纤薄，而且强度极高，这也就意味着，石墨烯可经弯折、卷曲、折叠处置，塑造出任何可以设想的外形。石墨烯材料不但能被拉伸至原尺寸的 120% 而不发生断裂，还可以轻松规复到初始状态。除此之外，石墨烯还能将投射到材料上的92%的可见光传输进来。也就是说，石墨烯不但简便、柔韧、可导电，而且几近是隐形的。 这为未来的智能装备奠基了材料的根本。比如，利用石墨烯作为材料的薄膜电脑可在隐外形状下覆盖车窗玻璃，从而为行将实现自动驾驶功用的汽车供给舆图和实时路况报告，帮助驾驶员在任何两地间行车时挑选最好线路。以石墨烯薄片为材质的计较机类利用，还包括可与隐形眼镜相连系的微型嵌人式电脑。在未来，人们可以操纵昂首显现技术，随时将需要查询的信息展现在自己眼前。 放眼未来，假如石墨烯的性能被完全发挥出来，那末大数据、物联网、云计较、智能装备等各项前沿范畴将会获得严重冲破，不但将会实现“万物互联”，人们习以为常的生产生活方式也会被完全倾覆。 “黑金”时代怎样还没来？当前，石墨烯被形象地称为“黑金”“万能材料”“新材料之王”“未来材料”和“反动性材料”，甚至有科学家预言其极有能够掀起一场囊括全球的倾覆性新技术反动，进而完全改变21世纪。 不外，石墨烯好则好矣，但却离普通消耗者仍有一定的间隔。究其缘由，除了制造、营销及配售新产物或革新产物常见的障碍外，石墨烯产物所面临的其他困难还包括：建立和保护原材料供给链、与具有安稳客户根本的技术展开合作，以及应对不成避免的法令题目。 其中，最重要的还是两方面的缘由，一方面，石墨烯还面临制造的障碍。今朝，石墨烯的制造难度照旧很大，当前，制备石墨烯有4种支流方式：机械剥离法、化学气相沉淀法（CVD）、碳化硅（SiC）外延发展法和氧化复原法。 其中，机械剥离法是尝试室制备石墨烯的首要方式，也是当前制取单层高品格石墨烯的首要方式；化学气相沉淀法被以为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方式；碳化硅外延发展法虽然可以制得大面积的高质量单层石墨烯，但受单晶SiC的价格高贵、石墨烯发展条件刻薄、发展出来的石墨烯难以转移等身分影响，其今朝首要用于以SiC为衬底的石墨烯器件的研讨；氧化复原法也被以为是今朝制备石墨烯的最好方式之一。 幸亏随着天下各地的公司纷纷加人石墨烯生产雄师，且生产石墨烯的新方式仍在以惊人的速度不竭出现。今朝来看，似乎我们确切有能够在几年内实现石墨烯的大范围生产固然，部分企业仍将专注于小批量、定制化的石墨烯生产（如生产出长度在毫米至厘米间，甚至更短的石墨烯薄片），这类石墨烯可用作增加剂或与其他材料连系利用。而要想真正到达适用且可以发生效益的阶段，石墨烯的年产量最少需要跨越数千吨。 另一方面，在被普遍利用之前，石墨烯必须兑现市场预期，供给比现有技术更高的效益大概更低的价格。此外，石墨烯还须在顾客指按时问内保质保量地实现多量量供货。而面临每年景千上万新型石墨烯利用专利的申请，当前，全球石墨烯产量仅可委曲满足尝试室研讨职员的需求，商用市场底子无从谈起，是以高质量的石墨烯产物价格相当高。 不外，假如基于石墨烯生产的 “杀手级利用”被发现出来，那末石墨烯市场或将迎来一场批量化生产的比赛，以满足这一需求。一旦产量增加，出格是出现很多供给商后，每单元的石墨烯产物的价格就会下降，只要这样，一个强大的贸易市场才能构成。 人类产业化的历史经历表白，新材料的发现制取在现代产业系统中饰演了无足轻重的脚色，屡次催生出新产业甚至是新产业群。但是，新材料在产业化进程中，常常在技术、市场和构造等方面存在极大的不肯定性。而假如依照硅材料产业的成熟周期为20年来揣度，石墨烯产业化成熟还要5~10年，是以，石墨烯想要真正引领“黑金”时代，还有一段路要走。 |
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