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石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料.石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达530OW/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s),又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Q·cm;比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料.因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮.它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快.石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学才能描绘,同时,石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况.石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔切,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定.

石墨烯的微观结构呈现微观的二维结构,二维层状材料因其独特的层内原子连接方式,表现出显着的电子离域行为,由此带来了出众的物理和化学性质.团簇具有确定的原子数与明确的结构,是一类介于原子/分子与纳米晶体之间的凝聚态物质,团簇的亚纳米尺寸使得单分子级别的作用力即可主导其自组装行为,可作为"超级原子"构建全新的亚纳米尺度低维材料体系.团簇电子结构、化学性质与原子/分子有类似性,团簇组装体作为一类"超级分子",其中电子可能被多个团簇所共享,对于高度有序的二维团簇组装体,电子在具有相同化学环境的团簇间的离域行为,可能带来异乎寻常的电子结构和催化性质.基于此,清华大学化学系王训课题组首次报道了一类基于多金属氧簇(POM)的新型类石墨烯材料——"团簇类烯".与以往二维材料体系以原子、分子为结构基元不同,该团簇类烯以亚纳米尺度的团簇为结构基元,构筑了一类新型的亚纳米二维材料体系.团簇类烯对于烯烃催化环氧化反应,在催化活性和稳定性方面均显示出极大的提升,其转换频率(TOF)是未组装团簇基元的76.5倍.离散傅里叶变换(DFT)计算结果显示,团簇间的电子离域行为有效的降低了材料参与氧化还原反应的活化能,从而造成了催化活性的显着提升.13种不同元素取代的Keggin型团簇均可用于团簇类烯的构建.本研究揭示了团簇类烯材料独特的电子结构、出众的催化性质和良好的结构普适性,有望启发基于团簇的新材料的设计与合成.

石墨烯和强激光组合打开了极高能离子加速的大门,对激光驱动的离子加速的研究是为了开发一种紧凑和高效的基于等离子体的加速器,它适用于癌症治疗、核聚变和高能物理.大阪大学的研究人员与日本国家量子科学技术研究所(QST)、神户大学和台湾中央大学的研究人员合作,报告了在日本QST的关西光子科学研究所用超强的J-KAREN激光器照射世界上ZUI薄和ZUI强的石墨烯靶材而直接进行高能离子加速.他们的研究结果发表在《Springer Nature》的《科学报告》上.

在激光离子加速理论中,更薄的靶材需要更高的离子能量.然而,由于强激光的噪声成分在到达激光脉冲的主峰之前就破坏了目标,所以一直很难直接用极薄的靶体来加速离子.在这种状况下有必要使用等离子体反射镜,它可以消除噪声成分,以实现强激光的有效离子加速.

(a) 实验示意图.通过用超强的J-KAREN激光照射大面积的悬浮石墨烯目标(LSG),产生高能离子.(b)和(c)分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像.(d)和(e)分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪(TPS)的堆栈检测器的示意图.(g)和(f)分别显示了TPS和堆栈的典型数据.

因此,研究人员开发了大面积悬浮石墨烯(LSG)作为激光离子加速的目标.石墨烯被称为世界上ZUI薄和ZUI强的二维材料,它适合于激光驱动的离子源.原子级薄的石墨烯是透明的,高度导电和导热,而且重量轻,同时也是最强的材料,到目前为止,石墨烯已经得到了各种的应用,包括在交通、医药、电子和能源等方面.同时我们也展示了石墨烯在激光-离子加速领域的另一个颠覆性应用,其中石墨烯的独特功能发挥了不可或缺的作用.

石墨烯的应用

1、电子信息领域

电子信息领域是石墨烯最重要的应用领域.该领域的产业化决定着石墨烯的真正价值和无可替代性.目前研究热点在石墨烯传感器、石墨烯柔性电子器件、石墨烯逻辑电路等.

01、石墨烯传感器

在电子技术中,电信号一般更容易处理.传感器可以将气体、光、力等各种信号转换成电信号.石墨烯独特的能带结构具有优异的电学性质.石墨烯原子裸露在表面上,其电子态很容易受到外界信号的改变而改变,从而导致电学性质的变化,通过电信号来体现.这种特性使石墨烯在传感器领域能发挥巨大的作用.

02、 石墨烯柔性电子器件

当下电子设备,尤其是智能手机,未来的发展方向都是是折叠和卷曲.石墨烯作为超薄柔性的二维材料,具有优异的力学性质,同时兼具超高载流子迁移率和透光性,是一种理想的柔性透明导电薄膜材料,可以用作新一代柔性触控屏.

03、 石墨烯逻辑电路

逻辑电路是计算机、数字控制、自动化等诸多领域的基础,利用二进制运算规则,实现逻辑运算.简单来说,我们需要利用电路的开和关来控制计算机实现不同的功能.计算机运算的快慢决定于电路材料的载流子迁移率.石墨烯具有极高的载流子迁移率,有希望用来制造下一代超快集成电路.

2、储能领域

石墨烯具有优良的导电性和极大的比表面积,在储能领域一直备受关注.石墨烯储能技术是最早大规模应用的一个领域.目前,主要包含石墨烯锂离子电池、石墨烯超级电容器、石墨烯固态储氢等.

01、 石墨烯锂离子电池

锂离子电池通过锂离子在电池的正负极之间来回移动来实现电能的存储和释放.理论上,石墨烯可以作为活性材料来直接储存锂离子,也可以作为导电材料来辅助电池的性能.实际中,石墨烯直接储存锂离子的能力不能达到实际使用需求.所以更多的是作为导电剂来提高电化学效率.

02、石墨烯超级电容器

超级电容器和锂离子电池一样,也可以储存和释放电能.超级电容器的储存单位电量较少,但可以瞬间提供大量的电量,所以可以满足需要瞬间大功率放电的需求.石墨烯/金属氧化物复合材料利用石墨烯作为金属氧化物的载体,使其在纳米尺度分散,可用于赝电容器中的电极活性材料.导电性、机械稳定性、和电化学性能都得到了提高.

03、 石墨烯固态储氢

传统的氢气储运主要通过高压气态法或低温液态法实现,高压气态法对容器质量要求高、容易造成氢气的泄露,安全性低.低温液态法需要将氢气冷却至-200℃以下,成本昂贵,经济性差导致适用范围小.同时这两种方法都必须使用笨重的罐体来承压或保温,造成了巨大的有效质量损失,导致总储氢密度大幅降低.石墨烯界面纳米阀固态储氢材料,以高活性轻金属氢化物为原材料,在不同组分界面建立石墨烯界面纳米阀结构,通过界面纳米阀非催化动力学调控机制实现储氢材料安全、可控、低温稳定释氢.

3、复合材料领域

石墨烯是目前力学强度最高的材料,其弹性模量高达1TPa,拉伸强度高达180GPa,被认为是增强材料力学性能的理想添加剂.仅仅较小的石墨烯添加量,材料的韧性、强度、和刚度等力学性能得到显着的提升.

01 、石墨烯/高分子聚合物复合材料

这种复合材料是最早研究的材料.主要关注的是石墨烯在基体材料中的分散性和石墨烯与基体材料之间的界面强度.这两个方面直接影响着复合材料的性能.目前已经商业化的有石墨烯增强PLA线材、石墨烯轮胎、石墨烯增强聚氨酯泡沫、石墨烯防腐涂料等.

02、 石墨烯/无机非金属复合材料

无机非金属材料本身已经具有较高的刚性和强度,石墨烯主要起到增韧性或组织裂纹增长的作用.之前的研究主要集中在石墨烯陶瓷复合增强材料和石墨烯碳纤维复合增强材料.现在已经向建筑行业逐渐转变,出现石墨烯增强水泥、石墨烯增强玻璃等.