石墨烯四大應(yīng)用領(lǐng)域全解讀

四大應(yīng)用

    石墨烯(Graphene)又稱(chēng)單層墨，是一種新型的二維納米材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米材料。因其特殊納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，被公認(rèn)為21世紀(jì)的“未來(lái)材料”和“革命性材料”。石墨烯相關(guān)專(zhuān)利開(kāi)始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)(2010 年353 件，2012年達(dá)1829 件)。總體看來(lái)，石墨烯技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入快速成長(zhǎng)期，并迅速向技術(shù)成熟期跨越。全球石墨烯技術(shù)研發(fā)布局競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正在逐步形成。 

    石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈;杰姆和克斯特亞;諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。     石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域 

    中科院近期發(fā)布的一份報(bào)告指出，石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫，從石墨烯專(zhuān)利領(lǐng)域分布來(lái)看，其應(yīng)用技術(shù)研究布局熱點(diǎn)包括：石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽(yáng)能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等。主要集中在如下四個(gè)領(lǐng)域： 

(一) 傳感器領(lǐng)域。 

石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價(jià)石墨烯海綿傳感器。 

(二) 儲(chǔ)能和新型顯示領(lǐng)域。 

石墨烯具有極好的電導(dǎo)性和透光性，作為透明導(dǎo)電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲(chǔ)能電池等方面有很好的應(yīng)用。石墨烯被認(rèn)為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業(yè)均在此領(lǐng)域作了重點(diǎn)研發(fā)布局。美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校研究人員利用KOH對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾重構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)，得到的超級(jí)電容的儲(chǔ)能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種獨(dú)特蜂巢狀結(jié)構(gòu)的三維石墨烯電極，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.8%，且價(jià)格低廉，有望取代鉑在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。東芝公司研發(fā)出石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極，并實(shí)現(xiàn)了大面積化。 

(三) 半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。 

OFweek鋰電網(wǎng) — 中國(guó)鋰電行業(yè)門(mén)戶(hù) 

石墨烯被認(rèn)為是替代硅的理想材料，大量有實(shí)力的企業(yè)均開(kāi)展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國(guó)成均館大學(xué)開(kāi)發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中使用。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IBM 的研究人員開(kāi)發(fā)出了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達(dá)100GHz，頻率性能遠(yuǎn)超相同柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率(40GHz)。 

(四) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 

石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、DNA 和蛋白質(zhì)檢測(cè)。如美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA 測(cè)序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

研究成果

最小最快石墨烯晶體管

2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體

IBM展示最小最快石墨烯晶體管管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1550億個(gè)循環(huán)操作，比之前的試驗(yàn)用晶體管快50%。

該晶體管的截止頻率為155GHz，使得其速度更快的同時(shí)，也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。

IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向，從而用于無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和影像等多個(gè)領(lǐng)域。

全球最小光學(xué)調(diào)制器

可高速傳輸信號(hào) 一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待

美國(guó)華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究是由加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張翔教授、王楓助理教授以及博士后劉明等組成的研究團(tuán)隊(duì)共同完成的，研究論文于2011年6月2日在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。

低成本石墨烯電池

 或?qū)?shí)現(xiàn)“一分鐘充電”

美國(guó)俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在

石墨烯鋰離子電池 示意圖石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過(guò)去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》上。

石墨烯手機(jī)

2015年03月02日，全球首批3萬(wàn)部石墨烯手機(jī)在渝發(fā)布，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，可接受官方預(yù)定，16G售價(jià)2499元。其核心技術(shù)由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開(kāi)發(fā)。

石墨烯指數(shù)

2015年5月18日，國(guó)家金融信息中心指數(shù)研究院在江蘇省常州市發(fā)布了全球首個(gè)石墨烯指數(shù)。指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力排名前三位的國(guó)家分別是美國(guó)、日本和中國(guó)。

可呼吸二氧化碳電池

2015年5月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院周震教授課題組發(fā)現(xiàn)一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負(fù)極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。

特殊石墨烯材料

2015年6月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國(guó)教授的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，其獲得的驅(qū)動(dòng)力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動(dòng)”飛行成為可能。

超級(jí)材料

2015年9月，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究人員稱(chēng)，利用細(xì)小的石墨烯

管狀石墨烯構(gòu)成了一個(gè)擁有與鉆石同等穩(wěn)定性的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了一種泡沫狀材料。這種材料的強(qiáng)度比同重量的鋼材要大207倍，而且能夠以極高的效率導(dǎo)熱和導(dǎo)電。

刊登在《高級(jí)材料》周刊的研究報(bào)告稱(chēng)，這種新材料能夠支撐起相當(dāng)于其自身重量40萬(wàn)倍的物體而不發(fā)生彎曲。這種新材料的特性意味著其可以用在防彈衣的內(nèi)部和坦克的表面作為緩沖墊，以吸收來(lái)自射彈(如子彈、炮彈、火箭彈等)的沖擊力。

10分鐘充滿(mǎn)手機(jī)

2016年7月，中國(guó)電信在廣州舉辦的2016天翼智能終端交易博覽會(huì)上，羅馬仕展出了一款石墨烯充電寶，10分鐘可充滿(mǎn)6000mAh，號(hào)稱(chēng)要“開(kāi)辟能源存儲(chǔ)新紀(jì)元”。