特殊的二維材料許多石墨烯并不獨(dú)特

特殊的二維材料許多石墨烯并不獨(dú)特

長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)二維晶體的了解不多，二維晶體是以平面形式存在的，好像被稀釋到原子層厚度一樣，根據(jù)傳統(tǒng)理論，由于熱力學(xué)的不穩(wěn)定性，在自然界中找不到準(zhǔn)二維晶體結(jié)構(gòu)，直到2004年，安德烈·海姆和他的同事們才發(fā)現(xiàn)了它的存在。君士坦丁-諾沃索洛夫聯(lián)盟首次成功地將石墨烯從高定向熱解石墨中分離出來(lái)。結(jié)果表明，二維材料在室溫和常壓下均能穩(wěn)定存在。

可以說(shuō)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了通往二維材料世界的大門(mén)，海姆指出，石墨烯并不是一種獨(dú)特的二維材料。還有許多其他具有特殊性能的二維材料在某些應(yīng)用中可能表現(xiàn)得更好，除了石墨烯之外，還有許多類似于石墨烯的材料值得探索。

以磷化氫為例，它是一種由有序磷原子從黑磷中剝離而成的整體材料，其某些特性可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而且黑磷的非線性光學(xué)特性已被許多機(jī)構(gòu)證明能夠產(chǎn)生超快激光，有望成為黑磷的重要組成部分。石墨烯在不久的將來(lái)。

硅是一種只有一層原子厚度的材料，可以在銀表面生長(zhǎng)。它有一些類似于石墨烯的材料性質(zhì)，但也有一些更優(yōu)秀的特性，包括較低的對(duì)稱群和更強(qiáng)的自旋軌道耦合。研究人員正在探索它可能更適合與硅基電子器件集成，并成為石墨烯的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

對(duì)于石墨烯，研究人員可以在它的原子層上進(jìn)行各種拼接，就好像孩子們?cè)谕鏄?lè)高積木一樣。例如，石墨烯被層層堆疊，形成三維石墨；石墨烯被卷曲成圓柱形，形成一維碳納米管；石墨烯被制成球形或橢球形，得到零維。因此，石墨烯可以作為其他碳材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

海姆指出，石墨烯與其他材料的人工結(jié)合，以及在幾周內(nèi)通過(guò)原子混合設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將使石墨烯更加神奇，并進(jìn)一步研究這些材料的不同性質(zhì)，這種研究結(jié)果可以稱為石墨烯3.0。

例如，以石墨烯為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料的制備擴(kuò)大了石墨烯的應(yīng)用范圍，目前合成石墨烯的主要方法有三種：一種是表面改性或元素?fù)诫s，在不同的溶劑中形成穩(wěn)定的分散體系；另一種是使石墨烯負(fù)載無(wú)機(jī)納米粒子，如間位金屬氧化物。L或金屬氧化物，廣泛應(yīng)用于催化、生物傳感器、電池、超級(jí)電容器等；另一種是將石墨烯與聚合物復(fù)合，在機(jī)械性能、光伏電池、超級(jí)電容器等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

當(dāng)然，石墨烯復(fù)合材料的研究還存在許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如石墨烯與無(wú)機(jī)納米粒子的相互作用機(jī)理、與聚合物的相容性、復(fù)合材料的發(fā)展和深入應(yīng)用等。

在石墨烯的制備過(guò)程中，人們往往把注意力集中在石墨烯上，而海姆的研究小組并沒(méi)有忽視對(duì)單層石墨烯剝離后通常丟棄的材料的研究。

海姆說(shuō)：放大后的剩余石墨塊晶體是一個(gè)二維真空區(qū)，它有許多結(jié)構(gòu)形狀，如超細(xì)毛細(xì)血管，大約15納米。當(dāng)我們測(cè)試水的輸送時(shí)，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水通過(guò)超窄的毛細(xì)血管時(shí)，幾乎是無(wú)障礙和無(wú)摩擦的，達(dá)到速度為1米/秒，墻壁非常光滑，水在很長(zhǎng)一段距離內(nèi)滑落。

海姆的團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，這是一個(gè)全新的納米級(jí)系統(tǒng)，其毛細(xì)管的精度是無(wú)法想象的。更重要的是，這些超細(xì)毛細(xì)管可以用來(lái)制備各種材料，不僅可以控制毛細(xì)管的大小，還可以調(diào)節(jié)毛細(xì)管壁的性能。這些材料是昂貴的。將在今后的過(guò)濾、海水淡化和氣體分離等新技術(shù)中得到應(yīng)用。

海姆補(bǔ)充說(shuō)，石墨烯基礎(chǔ)研究中的許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)令人驚訝，使新材料有用是很酷的，還有無(wú)數(shù)的研究和開(kāi)發(fā)的可能性需要探索。這種研究深深地影響著我們。

毫無(wú)疑問(wèn)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)為研究者提供了一個(gè)充滿魅力和想象力的研究對(duì)象，學(xué)習(xí)如何與石墨烯之父做基礎(chǔ)研究可以說(shuō)是不斷刷新創(chuàng)新的視野。我相信，在不久的將來(lái)，多功能石墨烯將在許多領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的變化。

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