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你不知道的碳家族

2018-12-02  来自: 山东华企新材料科技有限公司. 浏览次数:133

大家知道吗?钻石和石墨两种材料,他们都是由碳构成的,但是这种两种材料在我们日常生活中价值似乎完全不同。

      钻石颜值很高,价格很贵,它透明、坚硬、绝缘。相反,石墨是什么?它是黑色的、 松软的、导电的,两种材料完全相反,然而它们都是实实在在由碳组成的材料。

碳家族

开个玩笑,如果我说这位女士你带的0.2克的这块碳是从哪里买的?你肯定感到不高兴,“我这是钻石”。


然而这些钻石也好,石墨也好,和我们呼出的二氧化碳里面的碳都是一样的。好比说,X天你大概呼出了2000多克拉的碳,那么你就觉得这个呼吸好值钱。


结构不一样造成了性质的不一样,我们可以看到,在图中钻石是一个三维结构,而石墨在二维层面有一个很强的化学键连接,在层和层之间是一种很弱的化学键,叫范德华力[1]的连接,这就造成了它们性质的巨大的不同。


我们x天要谈的是碳家族里面的——纳米碳材料,包括我们华企新材料生产经营的产品,那我们就看看在纳米的结构里面,材料的结构对材料的性质究竟会造成什么样的影响。


为什么〇维碳获得了诺 奖,而一维碳却失之交臂?


碳家族碳家族


第 一,〇维碳,也叫碳60。我们看到它是笼子状的结构,它是一种五边形和六边形拼凑起来的,跟足球非常像,所以它有一个另外的名字叫“足球烯”。


如果我们在足球的每一个拼凑的键点上放一个原子,我们就完全相同地制造了一个碳60的这样的一个分子结构。

这个分子是在1986年被两位美国科学家和一位英国科学家发现的,并由此获得诺贝尔化学奖。富勒烯的发现加深了我们对宇宙中含碳分子的认识、碳的演化的认识,以及对芳香族物质的理解。

1991年,当时由于透射电镜的技术的发展,他可以很清楚地看到这样的一个管式结构。这个碳管在我们做纳米材料的领域中非常重要,因为他使纳米材料进入了普通人的视野,而他在科学界也掀起了纳米材料的高潮。


纳米管有很多奇异的性质,我们似乎觉得碳60获了诺 奖,碳管是不是也应该获得诺 奖呢?但他并没有,当然诺 奖的委员会有不同的考虑,但是有一个原因可能让大家对它有点忧虑。


饭x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,x  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 x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 x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 x上面会被削成两半,如果用大马士革钢x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。



碳家族



碳纳米管为什么会出现在大 马士革钢 x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x里面有碳纳米管就不奇怪了。


      石墨我们大家非常熟悉,石墨烯大家也不太陌生了,然而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。碳家族2014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。

     

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。

       

它的电学性质很值得一提,它的电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs,是硅的一百倍。


什么是电子迁移率呢?就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定,一个是电子在里面跑多快,二是有多少电子在里面跑。


大家可以想象一下高速公路,这条公路上限速是多少,车可以跑多快,以有多少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中,很多的时候我们希望有一个高运力,这样的话能加速器件的运算速度。

第 二,它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线,比如说金属线铜线,我们通电流,如果电压增加,电流增加到一定程度,电流会把铜丝烧断。


但是石墨烯抗烧断的能力非常之高,它可以达到铜的100万倍!如果我们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现,在双层石墨烯里面,如果转动一个角度,它会有一些超导现象出现。


但在电学性能中它有一项不足,就是它的零能带隙,能带[4]是关系到一个半导体的存在的。如果这个能带合适,这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带,它就不是半导体,它是个金属性质,那么做电子器件还是有一定的困难。科学家们正在克服这些零能带造成的问题。


3.致密与大比表面积


它石墨烯是一个很致密的材料,由于它的键很短,就是原子和原子之间的距离很近,只有0.142nm。也就是说,包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种很好的阻隔材料,比表面积可以达到2630m2/g,就是说它的面积非常大。


石墨烯的光的性质,因为只有一种碳源,只有一层碳原子,它的透光率可以达到97.7%,也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。


这个是大还是小呢?实际上是一个很强的光吸收,大约50层石墨烯我们就可以把光完全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以,我们只用它其中的一层就够了,这就使得它有很多可用的地方。

石墨烯的导热性质非常好,目前有两种主要的导热方式。一种叫电子导热,就是一个材料如果它导电非常好的话,它的导热往往也很好,比如说铜和铝。


但是还有一种材料,它的导热是不需要寄托于导电上的,它是靠声子导热的,就是说声波的传播速度,在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s,所以它具有非常好的导热效果。


石墨烯由于有比较均衡的红外的吸收的谱,很少的材料才能达到这样一个功效。中红外和中远红外同时成像都可以。


我们可以看到两张黑白的图,这里面一个人拿着一个电烙铁,电烙铁发出的光温度很高,大概三四百度。这是一个中红外的波段,人体发出的是远红外的波段。


这种石墨烯的红外的成像可以让两个波段同时呈现,也可以只让一个波段出现,上面就是只看电烙铁,下面就是人和电烙铁都看到。我们就可以同时对人和发动机做监控。

当下石墨烯在中国经过了一个热潮,现在到了哪一个阶段,我们看新技术的成长规律,它是一个从起始到高期待,然后往下走。


它必然要往下走,这是一个基本规律,然后到了一个低点以后开始稳步向上升,然后达到了一个平台。那个时候才能真正进入我们的生活。山东华企新材料科技有限公司致力于碳材料方面的研究生产,我们认为石墨烯是值得我们期待的,它未来一定有很大的作为,因为石墨烯的那些性质是实实在在的;那些数据是实实在在的数据;它有着很高的力学性能、电学性能、各种化学性能在里面。所以石墨烯的未来是一个可期的未来。





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