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【原创】石墨烯与中国古老命题---2016-07-21  

2016-07-21 06:27:47|  分类: 评论 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【原创】石墨烯与中国古老命题---2016-07-21 - Koala - 见闻,评论,感悟分享
    ( “石墨烯”的发明人是英国曼彻斯特大学的Andre·Geim和Konstantin·Novoselov,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。)
                                                                                     【原创】石墨烯与中国古老命题---2016-07-21 - Koala - 见闻,评论,感悟分享
                                                                                                                                                 (中国先贤  庄子)
【原创】石墨烯与中国古老命题---2016-07-21 - Koala - 见闻,评论,感悟分享
 
 

                            石墨烯与中国古老命题

 

    “苹果”虽然改变了世界,但是包括“苹果”在内的诸多品牌智能手机,充电后使用时间短,几乎要一天一充电,则饱受诟病。如果能采用某种新型材料制作其电容装置和芯片,使得它的充放电速度是锂电池100倍---- 1000倍,几分钟就能完成智能手机充电;使用时间会是普通锂电池的10多倍;充电宝也将被新技术所淘汰,那将是智能手机的一次性能飞跃。这种新型材料已经找到,它就是“石墨烯Graphene)

    “石墨烯”的发明人是英国曼彻斯特大学的Andre·Geim和Konstantin·Novoselov,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

    孰不知,发明“石墨烯”的理论基础和试件的制作方法,竟与于中国的古老命题:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”有着惊人得巧合。

 

    中国这一古老命题,语出《庄子·天下》。

    这是庄子(约公元前369年—前286年)的好朋友惠施的命题之一。这个古老命题的意思是:一尺长的木棍,每天截去它的一半,千秋万代也截不完。

在数学上,这个命题是成立的,因为每天截去一半,但还留下一半。随着不断截去,留下的木棍长度“趋向于无穷小”,但却“并不等于零”,所以千秋万代也“截不完”。

从哲学的角度看,这个命题也是成立的。因为“不管是宏观宇宙,还是微观宇宙,都是无限可分的”。

但是,2300多年来,竟没有一个中国人认真地去实践这一古老命题,其原因就是中国人“太聪明”了,没有人会去干这种“傻事”。

21世纪初,万里之外的英国,有人认真实践了中国古代哲人先贤的这一命题。唯一不同的是,他们“截取”的不是木头薄片,而是从铅笔芯取得的“石墨薄片”。

 

 英国曼彻斯特大学这两位物理学家制作“石墨烯”的实验,完全就是中国古代哲人先贤所说的“一尺之棰,日取其半,万世不竭”命题的一次成功演示。

 他们使用的实验材料,就是在任何办公室都能找到的普通的东西:透明胶带和从铅笔芯中得到的石墨。他们用透明胶带粘住石墨薄片,然后撕开胶带,胶带上就有了石墨薄片,原石墨片已被一分为二;再用新胶带粘结这分离出的石墨片,石墨薄片就又被一分为二;不断重复这一过程,就将石墨薄片撕得越来越薄,最终发现了部分样品仅由一层碳原子构成---- 他们成功地制得了“石墨烯”。

 

 石墨,是最软的矿物之一。十五世纪时,石墨矿被发现,英国人将石墨粉与黏土混合,灌入两片半圆型的细细的木管中,制成“铅笔”,并沿用至今。 

 公元1779年,科学家才知道石墨原来是碳元素形成的的一种单质,内部呈片层状结构。近代实验揭示出,石墨片层内碳原子排列成六方晶格,每个碳原子以三个共价键与相邻碳原子结合。每个碳原子的四个外层电子中有一个电子剩余,成为自由电子。片层之间以较弱的分子作用力相结合,可以相对滑动。因此,石墨导电性良好而硬度很低。

    石墨广泛应用于电极,坩埚,电刷,润滑剂,铅笔,石油化工、化肥、原子能、电子等领域。

金刚石,是人类迄今所知的硬度最高的物质。金刚石经过切割琢磨而成钻石。钻石以它通明剔透,清冷高贵的光辉形象,傲视所有其他珠宝而成为饰品至尊。人类发现和认识金刚石的历史超过3000年。
    但是,直到18世纪末,人们才发现身价高贵的金刚石,竟然和石墨一样,属于碳的同素异晶体。二者外观和性能上的巨大差异仅仅是因为碳原子的点阵排列方式不同而已。

 自从发现金刚石和石墨都是碳的同素异晶体以后,科学家们就纷纷研究如何使石墨在高温、高压的特殊条件下转变成金刚石。目前世界上已有十几个国家,包括中国,成功制造出金刚石,产量已远远超过天然金刚石的产量。

 数百年来,与金刚石相比,灰黑色的石墨显得黯然失色,不被人们所关注。

    事情在20世纪后半期发生了变化。首先是人们在太空中,后来也在煤烟中,发现了碳60(C60)又称为巴基球。它是由60个碳原子排列成正六边形和正五边形而构成,看上去简直就是一个“分子足球”,而且内部也是空的。

20世纪末期,科学家们在实验室中制备出了纳米碳管。一个单壁纳米碳管可以看成是由一个碳原子厚度的石墨片卷成的无缝管。管壁上碳原子排列成六方晶格,而管的两端碳原子排列成正六边形和正五边形,从而分别构成半个巴基球而使纳米碳管成封闭状。纳米碳管比重只有钢的三分之一,而抗拉强度可以达到钢的100倍以上,导电能力是铜的1000倍以上,

 

    “石墨烯”是人类迄今已知的导热性、电导性、透光性,高强度、超轻薄、超大比表面积等特性最佳的新型材料,广泛应用于锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等方面;其抗拉强度达到钢的200倍以上。而且“石墨烯”的透明度达到97.3%。  

    手机中有大量的芯片,比如音频芯片、视频芯片、电源管理芯片、能够获得更好拍照效果的ISP芯片、WIFI芯片、CPU、GPU、基带等,如果这些芯片都使用石墨烯材料制造,那么,手机芯片的性能将会大幅提升,同时功耗将大幅下降。

 

    当今,中国石墨烯制造处于世界领先地位。

   “中国正引领全球石墨烯商业化进程。”这是“石墨烯”发明人,诺贝尔物理奖得主Andre·Geim通过数次中国之行,深入了解和考察对中国石墨烯应用产业发展现状后得出的基本判断。

    2013年末,在中国先后建成年产300吨石墨烯生产线和年产100万平米的生产能力的石墨烯薄膜生产线。这是目前世界第一条和第二条规模化、低成本、高品质的“石墨烯”生产线;使得石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元。

    在“石墨烯”的应用上,中国研究人员也已拿出了有分量的成果:已成功制备出国内首片15英寸的单层“石墨烯”显示屏,触控屏幕不偏色,不泛黄,色彩真实、纯净,充电速率提高了40%,电池寿命延长了50%,电池的能量密度也增加10%。

   

    “石墨烯”发明人,诺贝尔物理奖得主 Konstantin Novoselov认为,虽然“石墨烯”将来定能发挥重大作用,但是在克服几个重大困难之前,这一场景还不会很快到来。

    前不久,中国一位知名财经人物,在接受媒体采访时声称,未来10至20年内将会爆发一场技术革命,“我认为,将来科技时代的最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代”。   

   

   

    今日中国具有 “石墨烯”制造处于世界领先地位的成果,也可告慰古代哲人先贤庄子和惠施的在天之灵了。

                                           (以上图片 均来自网络)

   

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