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石墨烯是构筑富勒烯、碳纳米管和石墨结构的基本单元,但是它在最后才被研究,考虑到它分离的简易性,这着实令人惊异。
许多不从事石墨烯研究的人质疑它是否被过分夸大了,类似的质疑也曾发生在富勒烯(1985年)和碳纳米管(1991年)的研究上,因为它们缺乏实际应用,并且未对人们的生活带来改变。富勒烯、碳纳米管和石墨烯之间最大的差异是在制备方面。除了C60和C70,大量制备高纯富勒烯仍颇具挑战性。富勒烯的一些最有趣的和最有用的特性需要靠掺杂或者添加分子官能团来实现,但是这也大大增加了高效液相色谱分离的时间,导致其价格昂贵。与石棉纤维类似,吸入碳纳米管也对人体有害,因此备受批评。学者需要开展更多的研究以确认碳纳米管中残留金属催化剂的毒性。尽管碳纳米管在单器件水平上表现出优异的性能,但是碳纳米管还存在手性混杂的问题,这使其同时具有半导体和金属的电子传输行为,从而严重限制了其在电子器件方面的应用。碳纳米管作为一维纳米线的最佳代表,对其的深入研究仍将继续。石墨烯制备上的挑战似乎已经解决,采用碳化硅和化学气相沉积法制备的石墨烯已被证实可以满足电学应用的要求,而化学剥离法制备的石墨烯则适用于基于溶液过程的铸件喷涂和聚合物共混等方面。为了使石墨烯能更有效地投入应用,必须使其附着于其他材料的表面,尤其是半导体纳米材料。在不久的将来,研究者们极有可能可以找到廉价制备高质量石墨烯的方法。也许正是这个原因使得石墨烯先于碳纳米管获得了诺贝尔奖,尽管碳纳米管也显示出了十分优良的电学和力学性能,并牢牢吸引了世界上众多学者的关注长达十多年。
专家视点
作为由sp2杂化碳原子网状连接而成的最薄的二维原子晶体材料,石墨烯拥有无与伦比的特性。石墨烯中的载流子迁移率远高于传统的硅材料,室温下本征迁移率高达200000cm2/(V•s),而典型的硅场效应晶体管的电子迁移率仅约1000cm2/(V•s)。石墨烯拥有已知材料中最高的热导率[约5000W/(m•K)]、极高的杨氏模量(1.06TPa)和断裂应力(约130GPa),以及巨大的比表面积(2630m2/g),加之其良好的柔韧性和透光性,使其成为过去十年的超级明星材料。石墨烯在高性能复合材料、柔性显示与柔性电子器件、电化学储能、光通信、超高频电子器件、光电检测与传感器件等诸多领域显示出广阔的应用前景,受到国际上的广泛重视。
中国是石墨烯研究大国,拥有一支庞大的石墨烯研究队伍。目前,中国科学家发表的学术论文总数已超过美国,跃居世界第一位。中国在石墨烯的产业化研发方面也有可圈可点的表现,在锂离子电池、手机触摸屏等领域已进入量产阶段。毋庸置疑,石墨烯研究已经逐渐走出象牙塔,进入产业化阶段。在未来二十年间,石墨烯制品将陆续走进人们的生活。
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