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石墨烯口罩可防霾?新材料之王的石墨烯是否名副其实(2)

发布时间: 2018-12-20 14:21:51 来源: 科学大家 作者: 于庆凯
饭岛澄男发现了碳管的时候,有许多人跳出来说,我早就发现了,我冤枉。也有好多团队这样跳出来,最著名的应该是前苏联的科学家,在1952年的时候他

饭岛澄男发现了碳管的时候,有许多人跳出来说,我早就发现了,我冤枉。也有好多团队这样跳出来,最著名的应该是前苏联的科学家,在1952年的时候他们就看见了纳米碳管的影子。

但由于当时他们是用俄语写的论文,不能被世界其他地方人读到,而且当时的苏联跟其他国家的交往也没有那么多,他们就错过了把这个科研成果公之于众的机会。大家为此争论不休的时候,科学家忽然在久远的大马士革钢刀里面发现了碳纳米管,当时的这个技术已经失传了。

大马士革钢刀存在于公元三世纪到十七世纪,现在我们又找回了这项技术,在那里我们也发现了碳纳米管,而且碳纳米管在里面是有一个增强和增韧的作用的。大马士革刀非常锋利,我找到的英文资料是这样形容它的,一根头发落在大马士革钢刀上面会被削成两半,如果用大马士革钢刀去削一个步枪的枪管可以把它削断。这跟我们中文形容刀快不是一样的吗?吹毛断发,削铁如泥。

碳纳米管为什么会出现在大马士革钢刀里面呢?这个并不难理解,是因为我们在炼铁炼钢的过程中有碳的存在,它就提供了碳源,同时有铁的存在,铁是一种催化剂,在今天讲碳管的时候,还要大量地使用铁。所以那个时候,在一定的工艺条件下生产出的大马士革钢刀里面有碳纳米管就不奇怪了。

用透明胶带分离出石墨烯

下面进入我们的主题二维材料,一提到二维,我相信有很多大刘(刘慈欣)的粉丝想到三体里面讲的二向箔,是一个维度打击武器,可以让一个三维世界在上面坍塌,有无穷的力量。

我们钦佩大刘的丰富的想象力。但是我们也知道,想象力一定是基于一些现实的基础,好比说我们想到了一个长着翅膀、会飞的熊,是因为我们见过一只熊和翅膀,我们把它放在一起就出现了新的创意。

我也在想,大刘是不是受到了二维材料石墨烯的启示,想到这样一种结构。石墨烯的结构就是一个单层的石墨,石墨我们大家非常熟悉,然而这个石墨烯是不是也像石墨那么普通?实际上不是的,石墨烯从石墨里面是分离出来的,我们承认这一点。然而石墨烯给我们打开了一个广阔的视野,告诉我们材料可以是以二维形式存在的。

作为一个材料科学家,我们受过的教育一直是二维材料这样一层原子组成的结构,在热力学上是不稳定的,它会坍塌。就仿佛说有一张纸有两个足球场那么大,它自己无法支撑自己,除非放在什么上面才行。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家Dr。 Geim和Novoselov,他们两个人在石墨里面分离出了石墨烯,给我们开阔了一个新的视野,以此为发端,至今为止,我们找到了上千种二维材料。

他们拿了一个胶带,然后拿一块石墨这样反复粘。因为它是层状结构,一层一层被分开,最终会找到一些单层的结构,然后把它转移到一个基底上面去,就可以研究它了。

“黑金”石墨烯有多强?

1、力学性质

石墨烯的力学性质非常之强,它的力学拉伸强度达到130GPa,相当于钢铁的一百倍。理论计算得到,如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米,它都能够撑起一只大象的重量。它这么强的力学性能从何而来?就像我们开始讲的——结构决定了性质。

它是一个二维结构,碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居,这三个邻居形成的碳的键非常短,非常强,支撑了石墨烯的高强的力学性质。

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