鉅大LARGE | 點擊量：638次 | 2023年09月05日
你了解石墨烯嗎？石墨烯有什么科技前沿？
由于石墨烯的發現，研究人員在2010年獲得諾貝爾物理學獎。我們何時能看到世界上最新穎的材料所生產的產品呢？這篇文章或許能給大家撥開迷霧。
1、利用石墨烯膜可以將鹽從海水中分離
地球表面大部分被水所覆蓋，但是由于大量的鹽的存在，使得我們很難將它當做飲用水的來源。為了解決這個問題，曼徹斯特大學的研究人員已經開發出一種可擴展的、孔徑大小均勻的氧化石墨烯薄膜，它可以過濾掉極其微小的鹽顆粒，而不過多影響水的流動。
由于石墨烯膜被淹沒在水中時會變得膨脹起來，它不能過濾掉那些極其微小的普通鹽離子。為此，他們找到一個通過物理方式來控制薄膜在水中膨脹程度的方法。該方法使它們比普通鹽離子的孔徑更小，從而過濾掉不想要的鹽、顆粒和分子。與此同時，這種薄膜仍然允許水流十分順利地通過。
從長遠來看，有研究小組指出，調整孔徑大小以過濾特定離子的基本思想可以應用于不同的薄膜，也有著不同的用途。
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%
2、變形或破裂時可變色的石墨烯涂層可檢測裂紋
德國萊布尼茲聚合物研究所研究團隊開發了一種石墨烯涂層，它在變形或破裂時可改變顏色。例如，機翼和其他飛機部件可以出現微小的裂紋，當受到突然的壓力時，可能會導致故障。在這項新的努力中，研究人員已經開發了一種這種材料的涂層，這將使檢查員更容易發現可能導致故障的微小裂紋。
通過使用特殊的沉積方法重疊具有有序和無序特點的石墨烯納米片（GNP），實現了獨特的魚鱗結構。通過精細平行多層膜的機械調諧觀察到可變結構著色。此外，結合可變結構著色和電氣感測功能的方法，使用幾種顏色來解決交通燈中的危險報警和安全性系統，他們為材料故障前的危險等級和微裂紋的早期警告帶來了第一個有價值的步驟。
3、石墨烯光電晶體管有望用于光學技術
石墨烯是一種薄碳層，可應用于光電方面，研究人員正在努力研發石墨烯光電探測器，這些器件對許多技術都至關重要。然而，由石墨烯制成的典型光電探測器僅僅能小面積感應光，因而也限制了其性能。
目前，研究人員通過將石墨烯與相對質量較大的碳化硅材料相結合，研制出了可被光激活的石墨烯場效應晶體管，因而解決了這個問題。高性能光電探測器可應用于諸多方面，包括天體物理學高速通信、超靈敏攝像機、感測應用、可穿戴電子設備等。另外石墨烯晶體管陣列會帶來高分辨率成像和顯示。未來研究方向重要包括探索諸如閃爍體、天體物理學成像技術和高能輻射傳感器等。
4、石墨烯有望促進神經細胞再生
一種非常規的工程技術也許能夠克服神經再生的障礙。來自愛荷華州立大學的科學家們已經開發出了一種利用噴墨打印機的納米技術，這種技術可以生成多層石墨烯電路。這種技術的最終結果有望將間質干細胞（形成骨、軟骨和脂肪細胞）轉化為施旺細胞，這種細胞在促進神經細胞的康復中起著多種用途。
在一份聲明中，共同第一作者、愛荷華州的生物化學工程博士后研究員MetinUz說，這項技術可能會獲得一個更好的方法來分化干細胞。然而，改進這種方法可能會影響體內受損神經的修復方式。
根據該團隊的研究結果，可以得出結論：靈活的石墨烯電極可以適應損傷部位，并為神經細胞再生供應了直接的電刺激，這些結果為體內神經再生鋪平了道路。
5、用石墨烯和金去做優良腦探測器
來自韓國的一支研究團隊研發出了更高效的神經電極，可以最大限度地減少組織損傷，還能傳輸清晰的腦信號。通常，電極越小，檢測信號越困難。然而，韓國大邱慶北科技研究院的一個團隊開發出了一種小型，靈活和清晰的腦信號檢測器。
檢測器由記錄大腦信號的電極組成。信號沿著互聯線傳到連接器，將信號傳輸到測量和分析信號的機器上。這些組合的材料新增了探針（探測器）的有效表面積，導電性能和電極強度，同時仍保持柔軟性和與軟組織的相容性。
這意味著電極可以收縮，但不會減少信號檢測?；ヂ摼€由石墨烯和金的混合物制成。石墨烯是柔軟的，金是優良導體。研究人員測試了探針，發現它能清晰讀取大鼠腦信號，比標準的平面金電極好得多。該探針要在廣泛商業化之前進行進一步的臨床測試。
6、石墨烯中的可控制電子為開發潛在電子設備供應新契機
科學家第一次在石墨烯中創造出了可調諧的人造原子。研究結果表明，限制用于控制石墨烯電子的技術是可行、可控、可逆的。電子的能量狀態是可調節的。這種可調性為研究石墨烯中獨特的物理電子行為開辟了新途徑。此外，它還供應了一種通過使用以石墨烯為重要設備的方法，促進了未來的電子技術，通信和傳感器。
羅格斯大學研究人員領導的團隊開發出了一種技術，可以穩定地保持和控制修改石墨烯中局部的電荷狀態。該小組進一步證明，在外部電場用途下，空位處的準邊界狀態是可調的。捕獲機制可以打開和關閉，從而供應了一種新的范例來控制和引導石墨烯中的電子。
7、石墨烯納米帶可實現超敏感質量檢測
我國科學技術大學的研究團隊利用懸浮在溝槽上的石墨烯納米棒，通過單電子晶體管（SET）發現了納米機械運動與電導之間的聯系。
郭國平和他的團隊通過絲帶測量電流時，有了一些非常顯著的發現。當調節施加到色帶端部的交流柵極電壓的頻率時，它他們發現機械運動與單個電子進出帶的流動耦合；通過在較高功率下驅動色帶，系統進入非線性狀態。從這個角度看，血紅蛋白和其他典型的蛋白質在這個規模上有質量。
它們還供應了探索超過現有技術解決方法的納米級現象的途徑，可以揭示一系列領域的問題。
8、石墨烯海綿添加劑可用于增強鋰離子電池性能
來自日本NEC公司的研究員錢成開發了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為MagicG，可用于鋰離子電池的陽極和陰極，以提高其速率和功率性能。盡管經過多年的研究和開發，鋰離子電池顯示出一些很好的性能，但由于充放電能力差和高倍率性能，它們仍然受到低功耗的影響。
錢成開發了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為魔術G（MG），具有高導電性，高比表面積和高電解質吸收能力。海綿已經作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環性。
由于添加劑引入后而出現的電極特性，關于用于電動汽車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進一步優化未來的結構，以獲得更高的性能。
9、無水環境下，石墨烯氫燃料動力電池膜可提升電池效率
匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員發現，石墨烯（二氧化碳和氫氣的二維聚合物）具有一種不尋常的特性，它可以形成一種無水的管道，也就是說不要水就可運輸質子。無形之中引領了開發氫燃料動力電池的潮流，這種燃料可用于車輛和其他能源系統。
質子傳導膜（PEM）是質子交換膜燃料動力電池的核心所在，在燃料動力電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送供應通道。此膜對溫度和含水量要求高，當溫度過高或濕度下降，這會消耗水膜并阻止質子遷移穿過膜。
約翰遜博士說：我們的計算機模型表明，由于石墨烯獨特的結構，使得它非常適合在無水條件下，通過電路快速地實現質子跨膜和電子傳遞。這表明將氫燃料動力電池車做為未來最佳的替代車輛，已指日可待。
10、石墨烯膜可使核去污能量減少100倍
根據曼徹斯特大學的研究，與現有技術相比，石墨烯可有助于核電廠生產重水和去污能耗成本減少超過100倍。MarceloLozada-Hidalgo博士領導的團隊展示了一種可完全擴展的石墨烯膜原型，這種石墨烯膜能夠更加有效地生產重水，從而出現更環保并且更便宜的核電。
現在，曼徹斯特集團開發了可完全擴展的原型膜，并展示了中試規模研究中的同位素分離。他們發現高效率的分離將顯著降低要處理的原始同位素混合物的投入量，這降低了資本成本和能源需求。
研究人員認為，超重氫凈化的能源效益在未來將會更大，這是全球重要關注的問題。
11、工程奇跡--石墨烯作為電極材料用于電子設備
石墨烯在電子工業中具有極大的發展前景，特別是作為有機發光二極管（OLED）、太陽能電池和可穿戴電子產品的透明導電的電極材料。
現在，作透明導電電極，ITO是最常用的材料。Whelan解釋說：下一步的工作重點是提高轉移的石墨烯層的電導率，從而提高OLED的功率效率。我們規劃了兩個可能的路線：一、我們可以堆疊多個石墨烯層。二、我們可以化學摻雜石墨烯，也就是說我們可以引入影響電性能的雜質。這樣可以使石墨烯與ITO更具競爭力。Whelan說，將來，我們希望石墨烯可以成為柔性電子電極的標準材料，例如：用于制造可彎曲的屏幕。
12、研究人員解決了石墨烯的易燃性問題，從而開啟大規模生產的大門
石墨烯在生物醫學、電子、能源和環境等領域的應用前景十分可觀，在許多小型應用領域也取得了成功。但是，因為石墨烯氧化物是一種從石墨中制造石墨烯的中間產物，該產物已被證明具有火災隱患。
Tian實驗室研究人員使用三次或三次以上正電荷的金屬離子將石墨烯氧化物剝離成透明膜。這種新形式的碳聚合物材料除了不易燃外，還具有柔韌性、無毒性和強機械性。一個潛在的應用是使用這種不易燃技術開發的石墨烯，來創建一種能夠降低加熱和冷卻成本的節能窗戶涂層。
Tian說：這會有更多的應用程序，我們預計未來的汽車和飛機窗戶將比目前更加智能化，還會有夜視應用。
13、石墨烯納米管混合物提升鋰金屬電池
萊斯大學的科學家們通過解決長期困擾研究人員的問題：枝晶的問題，創造了一種可充電的鋰金屬電池，其電池容量是商業鋰離子電池的三倍。
由化學家詹姆斯羅伯茨領導的Rice研究人員發現，當新電池充電時，鋰金屬均勻地包覆了碳納米管以共價連接到石墨烯表面的高導電碳雜化材料。如美國化學學會雜志ACSNano所報道，該混合物代替了用于交換安全能力的普通鋰離子電池中的石墨陽極。在Rice大學創建的石墨烯-碳納米管陽極的測試表明，它抵抗可破壞電池的鋰樹枝狀晶體的形成。
Tour說許多人做電池研究只做陽極，因為做整個包裝要困難得多，因此我們必須開發一種基于硫磺的相對的陰極技術，以適應第一代系統中的這些超高容量鋰陽極。我們正在中試規模生產這些陰極加陽極的完整電池，并對它們進行測試。
14、三維石墨烯上的鎳鈷硫化物核/殼結構用于超級電容器
鎳鈷硫化物的三維（3D）核/殼結構是在石墨烯上使用一系列水熱步驟進行納米工程而生成的，而用于生長核殼結構的石墨烯是在應用于超級電容器的CVD上生長的。
通過使用NCS納米管芯作為電子和離子高速遷移的通道，以及CNS納米片殼作為高活性區假電容材料，合成后的復合材料表現出優異的電化學性能。3D石墨烯層除了作為優異的表面積來支持3DNCS/CNS外，它還供應了鎳泡沫集電器和3DNCS/NCS復合材料之間優異的導電性。
這種高性能電極材料可能在未來的儲能裝置中得到很好的應用。
15、石墨烯可作為篩子過濾水中的離子
目前，隨著耗水量越來越大，以及海水污染和環境污染的日益嚴重，世界上有數億人無法獲得安全飲用水。由于傳統的海水淡化過程具有能源密集型和環境破壞性，因此我們迫切要從海水或污染水中提取潔凈水。
曼徹斯特大學的研究人員認為，石墨烯氧化物（GO）膜可以供應一種簡單的方法，從飲用水中過濾出不要的鹽和雜質。石墨烯膜存在的缺點是當GO層浸沒在水中時，兩層或三層水分子將自身插入層間空間中，這樣就會擴大了間隙，允許離子和分子通過并降低了材料的選擇性。奈爾和他的團隊圍繞這個缺點找到了一種簡單的方法，即將GO層疊在環氧樹脂之間，以便限制它在浸入水中時膨脹。通過運用這種方法，物理密封的氧化石墨烯（PCGO）膜可以成功地過濾掉像Na和K之類的常見離子，同時允許水通過。
16、電化石墨烯制成細菌滅蟲器
石墨烯的應用正逐漸被人們發掘，萊斯大學的研究人員已經用這種材料來制造一個細菌滅蟲器。以前已經發現一種稱為激光誘導石墨烯（LIG）的材料是抗菌的，現在該團隊已經發現，通過添加幾伏的電力，這些性能可以被提升一個檔次。
Tour說：這種形式的石墨烯極易抵抗生物膜的形成，這對生物膜的形成具有很大的應用潛力，例如水處理廠，石油鉆井作業，醫院和海洋應用場合，如對污染敏感的水下管道。使用電力時的高抗菌是一個很大的額外的好處。
Tour說：被動生物污損抑制和主動電壓誘導的微生物去除的結合使得這是一種非常受歡迎的材料，用于抑制困擾許多行業的自然污染的上升，解決了一個大麻煩。
17、碳化硅上的石墨烯可以儲存能量
通過在碳化硅的石墨烯的完美表面上引入缺陷，瑞典Linkping大學的研究人員新增了材料存儲電荷的能力。
進行研究的研究人員通過在Linkping大學開發的方法使用石墨烯制造碳化硅晶體。當碳化硅被加熱到2000℃時，表面上的硅原子移動到氣相，并且只剩下碳原子。MikhailVagin說：被稱為陽極氧化的電化學過程會破壞石墨烯層，從而出現更多的邊緣。我們測量了陽極氧化石墨烯的性質，發現材料儲存電能的能力相當高。
MikaelSyvjrvi說：碳化硅上的石墨烯可以在比其他類型的石墨烯更大的區域中制造，假如我們可以以受控的方式改變材料的性質，則可以為其它功能定制表面，例如，創建一個具有自己的內置電池的傳感器。
18、利用石墨烯可造出可見光以外的高端相機
在過去的40年中，微電子技術突飛猛進，這重要得益于硅和CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術，正是基于此，才有可能制造出計算機、智能手機、小巧且低成本數碼相機以及我們今天所依賴的大多數電子產品。然而，由于難以將除硅以外的半導體與CMOS結合起來，使得這個平臺除微電路和可見光攝像機以外變得更加復雜多樣。
現如今這個障礙已經克服了。ICFO研究人員首次展示了CMOS集成電路與石墨烯的單片集成，由此出現了一種高分辨率圖像傳感器，它重要是基于石墨烯和量子點（QD）的數十萬光電探測器而成?？偟膩碚f，這種石墨烯與CMOS的單片式集成的演示能夠使光電子應用更加廣泛，例如低功率的光學數據通信和緊湊、超靈敏的傳感系統。
19、氧化石墨烯使橡膠更堅固
天然橡膠為粘性液體，但添加交聯劑和填料顆?？梢陨a出固體彈性材料。然而，這個過程是耗費時間和精力的。現在來自四川和哈佛大學的研究人員發現，石墨烯氧化物（GO）可以在一個簡單的步驟中交聯和強化橡膠。
曼徹斯特的納米功能材料集團領先者Vijayaraghavan說：復合材料包含兩部分，一種柔軟輕盈的基體和一種強力的填料，總而言之，它們既輕又強。這是運動車中使用的碳纖維復合材料或用于護甲的凱夫拉爾復合材料的原理。在這種情況下，我們用石墨烯制成了一種柔軟而有彈性但脆弱的橡膠復合材料，所得材料都是更強大和更柔軟。
20、石墨烯為分子電子學供應新功能
由國家物理實驗室（NPL）和伯爾尼大學率領的國際研究團隊開發了使用石墨烯調節下一代分子電子器件功能的新途徑?？梢岳眠@些結果開發更小，更高性能的器件，用于一系列應用，包括分子檢測，柔性電子器件，能量轉換和存儲，以及電阻標準的穩定測量設置。
在科學進步雜志上報道的研究結果表明了基于石墨烯的分子電子學發展的重大變化，分子和石墨烯之間的共價接觸的重現性（甚至在室溫下）克服了基于造幣金屬的最先進的技術的當前狀態的局限性。
研究結果還將幫助研究人員在電催化和能量轉換研究中，通過在其實驗系統中設計石墨烯/分子界面，提高催化劑或器件的效率。
