石墨烯是什么

关注：94 发布时间：2021-11-19 16:41:42

近年来，我们经常听到石墨烯这个词，经常看到各种媒体发表各种研究进展，听到关于它如何改变我们生活的报道。那么，石墨烯是什么，它真的有这么强大吗？它在科学界是如何发挥作用的，现在能商业化使用吗？那么让我们来认识一下科学界的明星——石墨烯

什么是石墨烯？

我们都知道碳是什么。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期组iva。拉丁文为carbonium，意为“煤、木炭”。碳是一种非常常见的元素，以各种形式广泛存在于大气、地壳和生物体内。也许你知道石墨是什么，但石墨烯不知道。其实石墨烯是由碳构成的，只是结构不同于普通的碳。就像我们熟知的钻石，其实是一种碳，只是碳原子的空间结构不同。

金刚石中的碳原子结构

石墨烯与石墨分离，是一种具有单原子层的二维碳纳米材料。各层碳原子以共价键连接，呈现蜂窝状点阵结构。石墨是一种常见的矿物，由多层碳原子组成，具有层状结构。这些层可以相互剥离。所以石墨可以用来做铅笔，写字的时候会留下写字的痕迹。石墨对我们来说是一种非常常见的物质。石墨烯是纳米尺寸的单层二维结构。

石墨矿物

石墨的层状原子结构

石墨烯的结构如下图所示，碳原子以六元环的形式排列在同一平面。碳原子以键的形式相互连接，每个碳原子会形成三个键，使得石墨烯具有良好的力学性能。碳原子周围剩余的价电子将形成垂直于碳平面的共轭大键，从而电子可在石墨烯平面间自由移动,效应也保证了石墨烯优异的导电性。石墨烯中的长程共轭键使其具有良好的热力学性能,机械性能和导电性能.性质

石墨烯的原子结构

大键的形成

2004年，科学杂志报道曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫成功分离出稳定的石墨烯，并讨论了石墨烯材料的基本性质。长期以来，人们一直认为单原子层的二维物质是不稳定的，在自然界是不可能获得的。直到2004年，novoselov等人使用非常简单的胶带剥离法将石墨剥离成单层石墨烯，开启了石墨烯等二维纳米材料的新时代。他们对石墨烯的研究获得了2010年诺物理学奖，在范围内引起轰动，推动了石墨烯材料的研究，推动了石墨烯在物理、化学、材料、生物医学和环境方面的研究。新的商业化石墨烯产品也正在出现。许多政*已经将石墨烯材料列为国家重点发展对象，对石墨烯材料的投资也在不断增加。近年来，关于石墨烯的研究报告呈指数级增长，许多问题和困惑层出不穷。

石墨烯有何优异的性能

1.导电性

石墨烯结构非常稳定，到目前为止，研究人员还没有发现石墨烯中缺少碳原子。石墨烯中碳原子之间的连接非常灵活。当外加机械力时，碳原子平面弯曲变形，不需要重新排列碳原子来适应外力，结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道上运动时，不会因为晶格缺陷或者外界源的引入而发生散射。因为原子间作用力很强，即使室温下周围碳原子发生碰撞，石墨烯中电子的干扰也很小。石墨烯比较大的特点是电子的运动速度达到光速的1/300，远远超过一般导体中电子的运动速度。这使得石墨烯中电子的性质，或者更准确地说是“载流子”，非常类似于相对论中微子。

2.机械特性

石墨烯是人类已知的强度比较高的材料，比金刚石还硬，比上比较好的钢还要强100倍。并且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达到1.0tpa，固有拉伸强度为130gpa。氢等离子体改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量为0.25tpa，但其断裂强度未见报道。此外，目前人们已经组装成一种纸状材料。该材料的平均弹性模量和比较大断裂强度分别达到32兆帕和120兆帕。

石墨烯碳纳米管

3.热性能

石墨烯具有非常好的导热性。纯无缺陷单层石墨烯的热导率高达5300w/mk，是目前为止热导率比较高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500 w/mk)和多壁碳纳米管(3000 w/mk)。当用作载体时，其热导率也可达600 w/mk。

石墨烯能够将电子产品运行中产生的大量热量快速扩散到空气中，从而获得更好的工作性能和稳定性，在电子设备散热方面具有非常广阔的应用前景。石墨烯因其高热电转换效率和独特的物理化学性质而引起了许多科学家的关注。比较近的研究发现，石墨烯由于其透明性、柔性、快速加热和石墨烯片上的温度均匀性而被认为是理想的加热元件。

现在很多智能旗舰手机都采用石墨烯贴片散热，以充分发挥手机的性能。

手机用石墨烯散热

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石墨烯的工业应用领域

代替硅生产半导体芯片

目前，晶体管由昂贵的硅制成，应用于电子设备时会产生热量。运行速度越快，电子的高速碰撞越激烈，产生的热量越多，这也是限制电子产品运行速度的重要因素。由于室温下的量子自旋霍尔效应，电子没有穿过石墨烯的阻力，产生的热量很少。而且石墨烯本身导热系数高，产生的热量会很快消散，所以石墨烯电子产品的运行速度比硅高。石墨烯也可以用来制备射频晶体管。目前，射频晶体管主要使用半导体材料硅或更昂贵的磷化铟。在相同的工作电压下，石墨烯中电子的速度是磷化铟的10倍，硅的100倍。

半导体晶片

研究人员还证明，在石墨烯中掺杂一定数量的多电子分子可以改变石墨烯的电化学特性，并在此基础上制备了n型晶体管，这是迈向石墨烯基电路的关键一步。估计石墨烯芯片处理器的频率有望达到1 thz以上。虽然石墨烯的研究还处于基础研究阶段，但由于其优异的性能和以低成本石墨为原料，用石墨烯代替硅制造电子产品的应用前景非常广阔。

柔性显示

石墨烯具有良好的导电性、透明性、柔韧性和良好的机械强度，在柔性显示领域具有广阔的应用前景。相对于ito，石墨烯具有更好的柔韧性和透光率。这种超柔性石墨烯层使许多产品成为可能，包括可折叠电子产品、柔性触摸屏和可穿戴设备。

柔性显示屏

锂离子电池

常规锂电池的非碳基负极材料主要包括锡基,硅基等过渡金属材料.在锂电池过程中，由于充放电过程中的热胀冷缩和应力变化，负极材料容易脱落和开裂，导致循环性能显著下降。添加石墨烯改性复合材料不仅可以提高材料的稳定性、导电性和储锂能力，还可以延长其使用寿命，符合电池行业的发展理念。同时，石墨烯由于其优异的导电性和力学性能，也可以应用于锂电池的负极材料。石墨烯可以改善一些储锂容量高但电导率低的材料的性能，还可以增强阴极材料的力学性能，延长其使用寿命。石墨烯还可以作为电极材料的添加剂，增强添加剂的导电性，提高其循环性能和高速率性能。通过不断的实验和研究，石墨烯可以逐渐取代石墨、乙炔黑等常规电池添加剂。

石墨烯对现代工业影响很大，不仅涉及工业，还涉及军事。自2004年发现以来，石墨烯因其独特的物理和化学性质，如力学、光学和电学，吸引了各地许多科学家的关注。正是因为石墨烯在材料领域的迅速崛起，一些二维纳米材料(如氮化硼、二硫化钼、黑磷等。)结构相似的也蓬勃发展起来，整个二维纳米材料家族吸引了全科学家的目光。目前，虽然有很多关于石墨烯制备方法的报道，但由于各种制备方法的局限性，石墨烯的应用研究和工业发展受到限制。如何找到一种低成本大规模生产高质量石墨烯的方法仍然是目前石墨烯研究的重点。此外，加速石墨烯的功能化和复合材料的研究也可以拓宽其应用领域。随着科学家研究的深入，石墨烯及其复合材料将在新能源材料、生物医学、水净化、纳米电子器件等领域具有广阔的应用前景。

问美的石墨烯电热毯有危害性吗

这款漂亮的石墨烯电热毯加热速度快，10秒钟就能快速升温，加热特别均匀。老式电热毯没有局部过热的问题，温度很舒服，一点也不会觉得灼热。还有第三个恒温，可以随意调节。石墨烯在加热过程中能产生与人体同频率的光波，能有效缓解酸痛和疲劳。穿石墨烯比较暖和，可以放松肌肉，所以我无法享受它的胸和袖口的设计。晚上加班坐着或者追剧的时候，可以直接把石墨烯穿在身上，不会滑落，一点都不重，没有束缚感。不干扰按手机和用电脑超紧超暖，冷风也不再能阻挡工人的努力。这个设计也很适合我爸妈晚上看抗日剧。它用的双层水晶软绒面料手感很好，折叠成小块，完全不占地。也方便旅游，住爷爷奶奶家，去哪都可以带。

问若水石墨烯轻颜嫩肤仪使用方法

我以前从未用过这种仪器。都是手持的，比较麻烦。它可以解放双手，在工作或追剧的时候蒸脸。是一个随时随地满脸的spa。一层很像护甲战士，但是皮肤回春效果真的很好。据说有抚平细纹、提拉嫩肤、深层补水的。令她惊讶的是，她还有淡化点、去除痘印的。我觉得比较明显的效果是补水嫩肤，一些浅痘印也淡化了。每次做美容，都觉得皮肤会细腻嫩滑。我不得不提到，这台仪器更好的地方是它持续发热。之前用美颜仪的时候脸总是又热又红，皮肤比较敏感，就没用这个。有轻微发烧，总体来说脸还是挺舒服的。使用美容仪器前，一定要喝一杯温水，这有助于皮肤水合和代谢。然后，洁面后，涂上一些爽肤水或者精华液，再戴上这个嫩肤仪。戴上20分钟左右，然后用爽肤水把脸上代谢的残留物清理干净，然后正常的护肤步骤就可以了！

问法格石墨烯取暖器好不好用

与市场上的加热器不同，加热器可以在360度散热，内部有石墨烯涂层。石墨烯是一种新型高效的加热材料，通过红外线进行散射，没有吹的声音，不消耗水，温而不燥。我先试了一下，真的很烫。过了一会儿，整个屋子暖和起来了。过了一会儿，感觉没干。感觉很好！而且石墨烯也是一种安全的新能源，母婴都可以放心取暖。老公说石墨烯热效率更高，但是同样的热量比大功率加热器省电一半。今年冬天用费格取暖器我不怕做！这款fargo远红外石墨烯加热器，不像之前买的老式加热器，只能单面出风，而且是360热对流，从10到30只需要23分钟加热，真的超级快！两米之内就可以暖和，一家人坐在温暖的房间里边喝茶边聊天很开心。而且这个取暖器比传统取暖器还省电50%，用起来不会有异味，真的很好！每次睡觉都会搬到自己房间，方便快捷。晚上睡觉的时候，可以随时调整时间关闭电源，不用担心浪费电。真的是爱！

问石墨烯电池对人体伤害多大

石墨烯是从石墨材料上剥离下来的碳原子组成的二维晶体，是上已知比较薄的材料。石墨烯是石墨一个个叠起来的。一毫米厚的石墨含有大约300万层石墨烯。当铅笔在纸上轻轻划过时，留下的痕迹可能是几层，甚至只有一层石墨烯。纳米材料的石墨烯比以前的材料更稳定，使用寿命更长。因此，石墨烯可以用于许多领域：

然而，石墨烯对人体和环境有潜在的危害。我们只知道石墨烯会给人带来的好消息，但不能忽视它对人体的危害。1.布朗大学的生物学家、工程师和材料科学家检测到石墨烯对人类的潜在毒性。他们发现石墨烯纳米颗粒的锯齿状边缘非常尖锐和牢固，可以很容易地渗透到人体皮肤和免疫的膜中。可见石墨烯确实对人类和其他动物有潜在的危害。石墨烯可以被无意吸入。

加州大学伯恩斯工程学院发现，氧化石墨烯纳米粒子如果找到进入地表或地下水的途径，会对环境产生影响。团队研究的有机物较少的地下水资源硬度较高，氧化石墨烯纳米粒子在这样的环境中会变得不稳定，形成沉淀。

目前发现石墨烯对皮肤、眼睛、呼吸有潜在的危害和刺激性，没有实验表明是否存在致风险或潜在危险。