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  • 2015年上半年石墨烯研究“十大转化成果”盘点
  • 作者:英小诺   添加时间:2015-09-25 11:08:08   浏览:

 

 

     

     大家都知道,石墨烯墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。而且作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。下面,小编特意为大家整理了2015年上半年使用石墨烯这种“神奇材料”转化成的科技成果,让我们一切看看“神奇材料”到底神奇在什么地方?

  ①科学家成功使用石墨烯3D打印出指定结构

  来自伦敦帝国学院材料系的一个研究团队,由多名教授组成,并联合来自Warwick大学、Bath大学和deSantiagode  Compostela大学的团队,找到了一种3D打印石墨烯的方法。

  他们开发的这种技术主要基于FDM 3D打印。这里需要说明的是,要制造石墨烯对象需要精准地复制出石墨烯六边形图案。为了做到这一点,伦敦帝国学院的团队开发出了一种“FDM线材”,这种线材含有混合了响应型聚合物(可诱导触发某种行为的聚合物)的石墨烯薄片。在这种情况下,石墨烯薄片的化学属性发生了一定的变化,使其具有了适当的粘弹性,并能与上下层石墨烯薄片结合在一起。

  最初,研究团队的目标是3D打印完整的石墨烯结构,而非复合材料。这在一个水基体系里似乎是能够实现的。但该项研究的负责人EstherGarcía-Tu onBlanca解释说,这实际上是不可能的。“石墨烯是非常疏水的,因此不可能直接配制到水基油墨中。研究人员因此使用了一种经过化学改性的石墨烯——也被称为石墨烯氧化物(GO)——来代替。GO可在水中进行处理,并建立所需的结构。”

  ②科研人员利用石墨烯使得电子皮肤研究取得系列进展

  科院物理所科研人员最近在石墨烯电子皮肤研究中取得系列进展,相关成果发表于《美国化学会·纳米》等杂志。

  完美石墨烯是半金属或者说是零带隙半导体,在面内具有极高的机械强度。这使其应用于应力传感器件时主要面临两方面困难:一是应力测量范围不大;二是测量精度不够高。

  为此,中科院物理所博士生赵静等在导师时东霞、张广宇的指导下,提出了一种石墨烯波纹结构应力传感器,使应力测量范围超过30%;设计了一种基于隧穿效应的纳米石墨烯薄膜应力传感器,使灵敏因子提高到500以上。

  据了解,所生长的石墨烯不但具有纳米尺寸,而且具备准连续的特点。这种准连续的纳米石墨烯薄膜还可转移到柔性衬底上,制作柔性、透明的高灵敏度应力传感器,进而应用于人造电子皮肤等领域。同时,这种柔性的应力传感器具有良好的稳定性,在经过大于万次的压力测试后,其初始电阻没有明显变化。此外,这种石墨烯电子皮肤由于厚度小,可被黏在手指上检测关节活动。

  ③石墨烯基电容器首次应用电动自行车

  “原来充电需要10个小时的电动自行车,现在仅需要3~5分钟就可以充满电。”近日,依托中国科学院青岛生物能源与过程研究所建设的青岛储能产业技术研究院采用石墨烯基复合电极材料路线,开发出容量可控的锂离子电容器器件。以石墨烯基复合材料制备而成的锂离子电容器首次在电动自行车示范应用。

  “城际轨道1~2千米内,新型电容器可满足近距离运行,在乘客上下车的时候实现快速充电。”青岛储能产业技术研究院副研究员韩鹏献告诉记者,在启动时,可以瞬间加速,在制动时,可以将能量加以回收储存。大功率快速充放电是新型电容器的优势之一。

  据韩鹏献介绍,锂离子电容器作为经济型环保电动车电源,在需要大功率充放电场合,如高速铁路、城际轨道交通中的启动电源、制动能量回收系统领域;在恶劣条件下,如极端寒冷条件时,作为电动汽车、坦克车、军用运输车的冷启动电源,可以发挥出铅酸电池及锂离子电池无法与其比拟的快速充放电优势;在特殊场合下,可作为快速能量补给装置,突显其独特作用。

  ④南理工用石墨烯砍掉LED灯高成本

  南京理工大学近日发布,该校取得新型二维半导体研究进展,有望制造出新型材料,大大降低LED灯生产成本。市面上能买到的LED灯,售价高于普通灯数十倍,使LED灯无法走入百姓家。南理工纳米光电材料研究所曾海波所长介绍,取材普遍、成本低廉的石墨烯等新材料非常适合用于制造包括LED在内的信息、能源器件。然而,这些材料的金属、半金属属性成了其致命缺点。如何改变这些材料的属性成了材料学界难以攻克的瓶颈。

  “制造LED只是这种新材料应用的一个方面,”曾海波介绍,该材料还可以取代硅,应用到计算机、手机芯片的制造上,“一旦应用,谷歌眼镜、智能健康手环等可穿戴电子设备不仅性能会突飞猛进,而且会更轻薄小巧,价格更亲民。”

  ⑤石墨烯墨水打印出射频天线

  研究人员发现了一个不需黏合剂就可增加石墨烯墨水导电性的方法。他们首先进行打印,然后干燥墨水,接下来用滚筒压制,就像用压路机反复碾压新铺的路面那样。

  实验结果显示,压缩墨水的导电率提高了50倍,石墨烯层压板也比以往掺了黏合剂的石墨烯墨水导电快两倍。研究人员称:“高导电性让无线射频辐射更有效率,这是试验中最令人兴奋的方面。”在纸和塑料等廉价灵活的材料上印刷电子技术,意味着rfid标签等无线技术更加无处不在,从一头牛到一个汽车零件,随处都可应用。

  目前,大多数商用rfid标签由金属铝和铜组成,材料昂贵、制作过程复杂,而基于石墨烯的rfid标签能够大幅度降低材料成本。该研究团队已经开始计划开发石墨烯rfid标签,以及传感器和可穿戴电子产品了。

  ⑥科学家欲用石墨烯打造“人造肌肉”

  在最近发表在《ACS Nano》杂志的一篇论文中,来自KAIST的研究团队采用一种性价比很高的石墨烯材料——疏水性激光蚀刻低氧化石墨烯纸(HLrGOP)来解决这个问题。而这种材料最近被用于超级电容(supercapacitors)的制作。通过降低相关的石墨氧化物成分,能够获得较为纯净的石墨烯,这种高纯的石墨烯材料也被用于3D全息显示方面。

  尽管如此,在人造肌肉应用中,主要开始考虑利用材料的疏水性。这种疏水性的石墨烯电极表面十分光滑,内部也比较硬,这就能防止电极产生裂纹,内部也有利于离子的传输。

  在实验中,采用这种材料的人工肌肉具有更好的耐用性,损坏也更慢。实验结果令人鼓舞,不过他们称相关的改进工作还有很多。在韩科院设计的一个仿生机器人中,他们将使用这种新的人工肌肉。计划这个机器人将是一部能够在水中行走的水马(waterstrider)或者是相关水黾科的昆虫。

⑦石墨烯灯丝打造最薄灯泡

  日前,一个由美国哥伦比亚大学、韩国首尔国立大学和韩国标准科学研究院研究人员组成的国际团队首次展示了用只有一个碳原子厚度的石墨烯作为灯丝的芯片上可见光源:细条状石墨烯灯丝与金属电极相连,悬挂在基底上方,当电流通过时灯丝就会受热发光。

  通过测量石墨烯发出的光的光谱,研究人员发现石墨烯的温度达到2500摄氏度以上,足以明亮发光。论文第一作者、哥伦比亚大学机械工程系博士后研究员金永德(音译)解释说:“原子厚度的石墨烯发出的可见光线如此强烈,无需额外放大,肉眼便能看见。”

  石墨烯达到如此高的温度而不熔化基板或金属电极,是因为其具有一个有趣特性:当受热时,石墨烯会变成热的不良导体。这意味着高温被局限在了中心的一个小“热点”上。

  该团队还通过制成大规模化学气相沉积(CVD)石墨烯发光器阵列,展示了这项技术的可扩展性。

  研究团队目前正在进一步探究这种装置的性能,比如其开关的速度要多快才能创建光通信的比特位,同时也在开发将它们集成到柔性基板上的技术。

  ⑧新型石墨烯材料让“光动”飞行成为可能

  南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授领导的科研团队经过研究,获得了一种特殊的石墨烯材料,可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行,或将让“光动”飞行成为可能。

  目前,几乎所有的航空、航天飞行均采用化学驱动,即通过喷射燃烧的化学物质来获得驱动力,光直接驱动飞行是科学界和航空界多年的梦想。陈永胜教授等专家研制出的这种石墨烯材料,可以在包括太阳光在内的各种光源照射下有效驱动飞行,这是迄今为止科学界第一次用光推动一个宏观物体并实现宏观的驱动。通过定量测量,这种石墨烯材料在光照条件下产生的力是传统光压的千倍以上。500公斤的负载,如果利用基于这种石墨烯材料制备的驱动帆板,理论上获得的驱动力至少能使其达到0。09米每秒的加速度。

  ⑨石墨烯应用可作为太空动力来源

  中国在石墨烯应用领域探索中获得重大发现:石墨烯在光作用下的运动现象,这一发现可作为新的太空动力来源,作为一种新的发电装置都成为了可能。经过反复实验与论证,北京碳世纪科技有限公司(以下简称碳世纪)展现了这项重大应用发现,并成功研制了该项装置,充分展示了石墨烯材料的“光悬浮”现象。

  石墨烯材料可将光能直接转化为动能,这标志着石墨烯材料将成为一种新的动力来源,这种动力源将远高于光压现象所产生的动力源。可为星际探索、卫星变轨等提供无尽的动力。相关专家表示,这项重大发现是由中国人首次发现,这将为人类探索未知世界开启又一扇大门。

  发现这项重大应用后,碳世纪迅速启动了该项发现的演示装置的研制,经过了近千次的反复实验、论证,现有的应用装置已能够全景展现石墨烯材料的“光悬浮”现象。

  因在石墨烯方面的开创性试验而获得2010年诺贝尔物理学奖的安德烈·海姆教授在2000年曾展示了利用磁性使青蛙克服重力实现悬浮的视频。而今天,碳世纪使用光束将石墨烯材料悬浮起来并展现在世人的面前。

  ⑩无需3D眼镜,用石墨烯制作出3D全息显示屏

  自从1977年“救我,欧比王,你是我唯一的希望”的星球大战上映以后,我们就已经开始梦想有一台3D全息显示屏。不过,要掌握这项技术并不容易。我们已经看过有很多尝试做近似3D显示屏的例子,像全方位2D可见图像,但目前科技界仍未完全制造出真正的3D。

  一项来自澳大利亚的大学的新成就可能是最接近3D的了,通用碳基石墨烯是其关键。“虽然还有工作要完成,但3D影像的前景似乎是跳出屏幕……而且无需繁琐笨重的配件,例如3D眼镜。”格里菲斯大学工程学院的QinLi说到,他是管理该研究的碳结构分析的人员。这款碳基显示屏由来自格里菲斯大学以及斯维本科技大学的研究团队开发,基于DennisGabor的全息法,而Gabor还因此法在1971年获得诺贝尔物理奖。

  该团队打造了高分辨率3D全息显示屏,视角宽达52度,其建造基础是由折射光线的小像素组成的数字全息屏幕。

  随着现代科技的飞速发展,石墨烯这种材料已经开始被广泛地应用于人类的生产生活。由于石墨烯的特殊作用,未来将会更加大放光彩。我国石墨烯研究目前处于世界领先水平,并且在一步步将石墨烯材料应用于为人类服务的伟大事业进程中。

(来源于OFweek激光网)

 

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