鉅大LARGE | 點擊量：3754次 | 2018年05月30日
業界“新寵兒”石墨烯的十二大用途
石墨烯可謂是2015年最具逼格的詞匯，小編搜羅了今年所有關于石墨烯的新聞，總結下石墨烯都能干些什么。最終我發現，除了不能吃、不能喝、不耐熱外，似乎石墨烯是個全能兒。就連各種展會上也能碰到一些零售的石墨烯內衣、石墨烯護腰——這簡直是在降低我們石墨烯高大上的形象啊。
顯而易見，現在太多拿著石墨烯應用炒概念的，要么是借用石墨烯概念拉升股票，要么是借用石墨烯概念來給吹噓自己已有產品，把數據吹得非常離譜——這些從科學上講是非常不靠譜的，他們并不是真的石墨烯。從應用的角度，石墨烯目前還在講故事的階段，發展程度上只能說是符合預期，而且在中國，產學研結合進度更是低于預期，前幾天清華大學教授王志華更是在公開場合表態：“石墨烯用于IC業？五年內都是一句空話！”請記得，過度的炒作是一種傷害。
被媒體過度炒作的石墨烯，“神奇材料”石墨烯最先在2004年時被從石墨中分離出來，是由單層碳原子層構成的蜂窩狀晶格二維原子晶體。EDN年初也曾報道過石墨烯的八種制作方法（點擊原文查看）。石墨烯大約只有0.34納米厚——一個單原子的厚度，其特殊的結構形態使其具備目前世界上最硬、最薄的特征，同時也具有很強的韌性、導電性和導熱性。這是一種理想的替代型材料，被認為將在半導體、光伏、鋰電池、航天、特種、LED、觸控屏等大量領域帶來材料革命。整理了一些應用案例，大家可以猜猜哪些更容易商用，或者，還有哪些被漏掉？
應用一：石墨烯觸摸屏
這應該是石墨烯呼聲最高的應用。智能手機最關鍵的一部分就是有一塊既能導電又非常透明的觸摸屏。恰好，這正是石墨烯的特性！而且石墨烯的強度和柔韌性，都比目前的透明電極材料氧化銦錫（ITO）要更好。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
早在2010年，韓國成均館大學和三星公司的研究人員，就制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。當時，論文通訊作者、成均館大學教授洪秉就提出，他們的方法可用于制造基于石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器和平板顯示器。但他當時也承認，大規模制造和商業化還為時尚早。
不過，五年來的發展，也出乎他的意料。在10月底在青島召開的石墨烯創新大會上，洪秉熙介紹說，石墨烯透明電極已經廣泛地應用于各種各樣的柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機發光二極管（OLED）和有機光伏器件。
應用二：石墨烯墨水打印射頻天線
英國曼徹斯特大學研究人員與石墨烯生產商BGT材料有限公司合作，用壓縮石墨烯墨水打印出射頻天線。——科學家將石墨烯材料的應用又向前推進了一大步。這種天線靈活、環保，可廉價大批量生產，能夠應用在無線射頻識別（RFID）標簽和無線傳感器上。
目前，大多數商用RFID標簽由金屬鋁和銅組成，材料昂貴、制作過程復雜，而基于石墨烯的RFID標簽能夠大幅度降低材料成本。該研究團隊已經開始計劃開發石墨烯RFID標簽，以及傳感器和可穿戴電子產品了。石墨烯油墨成本低且很柔軟，比其他如納米金屬粒子導電油墨的性能還要強大很多。
應用三：石墨烯燈泡
石墨烯可調光燈泡號稱可節省10%的能源，使用壽命也更長，內含由英國曼徹斯特大學所設計、外罩石墨烯的燈絲狀LED。石墨烯燈泡價格每顆約15英鎊，這款燈泡的設計是以傳統燈泡形狀為基礎，石墨烯能讓燈泡的導電以及散熱更有效率。
應用四：更強夜視能力的視覺傳感器
現在夜視很多用紅外線系統，但是這種設備體積大是個硬傷啊。于是，研究人員將基于石墨烯的光熱電探測器（photothermoelectricdetector）整合在微機械氮化硅薄膜（micrmachinedsiliconnitridemembrane）上。叮咚，數據來了：7~9V/W的響應在10.6微米（micron）波長以及23ms時間常數下達成；氮化硅薄膜帶來的溫度隔離以及寬帶紅外線吸收，能實現300~500K的黑體目標（blackbodytarget）探測與成像。
此外，石墨烯的高載體遷移率（carriermobility）可用以抵抗噪聲，因此免除了冷卻技術的需求，并足以在不需低溫冷卻的前提下偵測來自人體的熱輻射。
應用五：芯片上光通訊
“我們已開發出世界上最薄的燈泡！”紐約哥倫比亞大學工程學院教授JamesHone說，這種新型的“寬帶”光發射器可以整合到芯片上，可為實現薄如原子、可撓曲及透明的顯示器鋪路，還能做到基于石墨烯的芯片上（On-chip）光通訊。
今年稍早，曼徹斯特大學（ManchesterUniversity）已發布以石墨烯為基礎開發的燈泡，該燈泡是將基于長絲形的發光二極管（LED）涂覆在石墨烯上，而該大學也聲稱，此可調燈光的LED燈泡可減少10%的耗電量。芯片上可見光的關鍵是開發完全整合“光子（Photonic）”電路，該電路用于燈泡時，可如同現階段在半導體整合電路的電流。直到現在，研究人員尚未將白熾燈泡放在芯片上，這是因為點燃燈泡所需的溫度，微型金屬導線無法承受。
石墨烯能達到的溫度超過攝氏2，500度，不需要額外放大就可灼傷肉眼。研究人員也發現石墨烯在較高溫度下，會變成較差的熱導體，這意味著熱量會在芯片的中心被限制為一個“熱點”。一名研究人員指出，懸浮的石墨烯可被加熱到太陽一半的溫度，且可靠度比固定在固體基板上的石墨烯高1，000倍。
應用六：偵測氣體、檢測DNA與蛋白質
由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）與西班牙光子科學院共同組成的一支研究團隊，最近利用石墨烯改善了分子檢測的紅外線吸收光譜。傳統上，這種方法主要利用光激發分子，依據各自性質產生不同的振動，同時創造出一種能以反射光讀取的獨特標識。但這種方法并不適用于納米級分子，因為納米分子通常比用于檢測分子的6微米紅外光子波長明顯更小。然而，研究人員們發現，石墨烯能夠聚光于特定焦點上，從而準確地“聽”到納米級分子的振動。
石墨烯可實現高敏感度的振動光譜與檢測折射率Source：EPFL根據EPFL，“當光線到達時，石墨烯納米結構中的電子開始振蕩。這種現象被稱為‘局部表面等離子共振’，從而將光線集中于微小的焦點，其大小約相當于目標分子的尺寸，因而能夠用于檢測納米結構。”針對這種傳感器的潛在應用范圍從偵測氣體外泄、檢測有毒與易爆氣體、測量并檢測DNA與蛋白質以及水中污染物。另外，石墨烯擁有較大的比表面積，使其具備了制作高靈敏度傳感器的條件，一旦氣體被吸附于石墨烯表面，其表面電阻就會出現變化，然后結合電傳感檢測器，就可以讓石墨烯成為一種優異的氣體傳感器。
應用七：3D成像更精確
勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的研究人員使用單層石墨烯作為一個清晰類透鏡蓋（Lens-likeCap）—稱為石墨烯電池液（GLC）—為單個膠狀納米粒子的原子創造新的成像系統。這個過程將大大簡化反復試驗原子級（Atomic-scale）工程學的設計和重新設計過程。
大多數電子產業使用的納米粒子都存在于流體溶液中，且也被允許可處于干燥狀態。常用的透射電子顯微鏡（TEM）可在納米粒子干燥后為其成像，但是干燥的流體往往會扭曲納米粒子的結構，而校正結構的過程通常相當復雜，一個設計完成在之前，須經過反復多次的試驗。OK，石墨烯可作為敏感納米粒子的保護層，Ercius的團隊第一次使用的新技術，他們稱之為“SINGLE”—由石墨烯電池液電子顯微鏡鑒定的納米粒子結構—可在計算機中顯示3D模型，目的在于設計可以組合在一起的“積木”，以形成更大的特定電子和物理特性架構，滿足現今許多產業需求。
在LBNL，Ercius的下一步將使用更快的每秒400幀的攝影鏡頭，以更精確的構造出TR3D模型，精準度可超越他們現在擁有的2納米精準度設備。
應用八：超導體
加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）的研究人員，透過摻雜鋰后再使其冷卻至5.9度絕對溫度（Kelvin）。但這還只是個開始，因為UBC教授AndreaDamascelli希望使用與先前相同的方法，加上他自已的一點秘密配方，從而讓摻雜的石墨烯達到更高的臨界溫度（Tc；即變成超導體）。Damasdcelli已經在石墨烯原子單層中試驗過各種摻雜物了，他并測量這種可吸附的原子是否在表面上擴散，以及附著于石墨烯晶格中。
下一步，Damasdcelli的研究小組以及在全球的其他同事們將共同為摻雜的石墨烯材料調整參數，希望最終能在正常的大氣壓力與室溫下實現超導體，或至少是在可輕松實現商用產品的溫度條件下，例如液態氮的溫度——77度絕對溫度，可望較易于在設備中進行維護。
應用九：即熱功能
不能小瞧石墨烯的加熱功能。“用很小電流、很低功率就可以熱起來，只有石墨烯和碳納米管可以做到，這樣用一塊手機電池就可以驅動。因此，特種、救生用加熱衣服是正在開發的一種產品。其他產品還包括利用石墨烯復合材料的防彈材料和涂料，利用石墨烯薄膜的便攜式水處理設備，以及儲能電池的改性。
應用十：太陽能電池
在麻省理工學院的一份學術報告中指出，石墨烯已經被視為用于打造第三代太陽能電池的最佳備選材料之一。很巧的是，蘋果公司2013年提交了一份專利申請，申請內容正是關于在一些設備中搭載太陽能電池的解決方案。“石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。”石墨烯太陽能技術的光電轉換效率高達60%，是現有多晶硅太陽能技術的2倍。當前市面上的太陽能電池板基本為多晶硅，其光電轉換率為30%左右。
與多晶硅不同的是，石墨烯可以作為納米涂層，涂于設備表面，以獲得光電轉換的能力。同時也可以制成柔性、透明的光伏電池板。因此，未來具備太陽能電源的設備將更為小巧和美觀，同時可以不受太陽能電池板本身的影響而改變產品設計。另外，石墨烯可作為柔性能量存儲，將來用于柔性可穿戴設備，柔性智能設備。
應用十一：觀察大腦活動
根據最近一篇刊載在Phys.org上的文章指出，“神經信號的電氣監控和刺激是研究腦功能的一種唯一可以依靠的技術，而使用光子（photons）而非電子的新興光學技術為神經網絡結構的可視化及大腦功能的探索，開啟了新的契機。看明白了吧，電氣和光學技術具有明顯的互補優勢，如果能一起使用，就太好了，但難點是：傳統金屬電極技術太厚了，一般大于500nm，光無法穿透！
——OK，石墨烯有彈性，又柔軟，導電性能又良好，而且無毒，正好！該技術的應用包括神經系統、心臟監護，甚至是隱形眼鏡（contactlens）。
由DARPA的RE-NET計劃所資助開發的新的石墨烯傳感器技術是可以導電的，且只有4個原子厚，比目前的觸點薄數百倍（上中）。這種極薄的厚度使幾乎所有的光可以穿越很寬范圍的波長。放置在一塊與組織形狀相符的柔性塑料里襯上之傳感器（下方）是概念驗證工具的一部分，它展示出了更小、更具透光性的觸點，且可同時使用電氣和光學方法來對神經組織進行測量與刺激（右上）。數據源：DARPA。
應用十二：儲氫材料&藥物載體
石墨烯的氣體吸附特性，也讓其成為新型儲氫材料，可以在室溫、安全壓力下快速可逆地吸放氫氣，較高的熱穩定性。石墨烯獨特的二維層狀結構和良好的生物相容性，使其能很好地作為藥物載體。科學家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應制得復合物，可在人體內緩慢釋放藥物，而且藥物的負載量遠遠高于傳統的藥物載體。
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