盤點石墨烯12大應(yīng)用 3D打印/觸摸屏/傳感器全都能用？
石墨烯可謂是2015年最具逼格的詞匯，愛學(xué)習(xí)的胡安搜羅了今年所有關(guān)于石墨烯的新聞，想總結(jié)下石墨烯都能干些嘛(請讀四聲)?
好，我發(fā)現(xiàn)，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(nèi)衣、石墨烯護腰——這這這，簡直是在降低我們石墨烯高大上的形象啊。
顯而易見，現(xiàn)在太多拿著石墨烯應(yīng)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(chǎn)品，把數(shù)據(jù)吹得非常離譜——這些從科學(xué)上講是非常不靠譜的，他們并不是真的石墨烯。
從應(yīng)用的角度，石墨烯目前還在講故事的階段，發(fā)展程度上只能說是符合預(yù)期，而且在中國，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合進度更是低于預(yù)期，前幾天清華大學(xué)教授王志華更是在公開場合表態(tài)：“石墨烯用于IC業(yè)?五年內(nèi)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(gòu)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。
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(jié)構(gòu)形態(tài)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
這是一種理想的替代型材料，被認為將在半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED、觸控屏等大量領(lǐng)域帶來材料革命。
胡安整理了一些應(yīng)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(yīng)用一：石墨烯觸摸屏
這應(yīng)該是石墨烯呼聲最高的應(yīng)用。
智能手機最關(guān)鍵的一部分就是有一塊既能導(dǎo)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。
早在2010年，韓國成均館大學(xué)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(dāng)時，論文通訊作者、成均館大學(xué)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(dāng)時也承認，大規(guī)模制造和商業(yè)化還為時尚早。
不過，五年來的發(fā)展，也出乎他的意料。在10月底在青島召開的石墨烯創(chuàng)新大會上，洪秉熙介紹說，石墨烯透明電極已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種各樣的柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機發(fā)光二極管(OLED)和有機光伏器件。
應(yīng)用二：石墨烯墨水打印射頻天線
英國曼徹斯特大學(xué)研究人員與石墨烯生產(chǎn)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(xué)家將石墨烯材料的應(yīng)用又向前推進了一大步。
這種天線靈活、環(huán)保，可廉價大批量生產(chǎn)，能夠應(yīng)用在無線射頻識別(RFID)標(biāo)簽和無線傳感器上。
目前，大多數(shù)商用RFID標(biāo)簽由金屬鋁和銅組成，材料昂貴、制作過程復(fù)雜，而基于石墨烯的RFID標(biāo)簽?zāi)軌虼蠓冉档筒牧铣杀尽Ｔ撗芯繄F隊已經(jīng)開始計劃開發(fā)石墨烯RFID標(biāo)簽，以及傳感器和可穿戴電子產(chǎn)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(dǎo)電油墨的性能還要強大很多。
應(yīng)用三：石墨烯燈泡
石墨烯可調(diào)光燈泡號稱可節(jié)省10%的能源，使用壽命也更長，內(nèi)含由英國曼徹斯特大學(xué)所設(shè)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(shè)計是以傳統(tǒng)燈泡形狀為基礎(chǔ)，石墨烯能讓燈泡的導(dǎo)電以及散熱更有效率。
應(yīng)用四：更強夜視能力的視覺傳感器
現(xiàn)在夜視很多用紅外線系統(tǒng)，但是這種設(shè)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(shù)據(jù)來了：7~9V/W的響應(yīng)在10.6微米(micron)波長以及23ms時間常數(shù)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(xiàn)300~500K的黑體目標(biāo)(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(shù)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(yīng)用五：芯片上光通訊
“我們已開發(fā)出世界上最薄的燈泡!”紐約哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院教授JamesHone說，這種新型的“寬帶”光發(fā)射器可以整合到芯片上，可為實現(xiàn)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(xué)(ManchesterUniversity)已發(fā)布以石墨烯為基礎(chǔ)開發(fā)的燈泡，該燈泡是將基于長絲形的發(fā)光二極管(LED)涂覆在石墨烯上，而該大學(xué)也聲稱，此可調(diào)燈光的LED燈泡可減少10%的耗電量。
芯片上可見光的關(guān)鍵是開發(fā)完全整合“光子(Photonic)”電路，該電路用于燈泡時，可如同現(xiàn)階段在半導(dǎo)體整合電路的電流。直到現(xiàn)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)石墨烯在較高溫度下，會變成較差的熱導(dǎo)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(yīng)用六：偵測氣體、檢測DNA與蛋白質(zhì)
由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)與西班牙光子科學(xué)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(tǒng)上，這種方法主要利用光激發(fā)分子，依據(jù)各自性質(zhì)產(chǎn)生不同的振動，同時創(chuàng)造出一種能以反射光讀取的獨特標(biāo)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(fā)現(xiàn)，石墨烯能夠聚光于特定焦點上，從而準(zhǔn)確地“聽”到納米級分子的振動。
石墨烯可實現(xiàn)高敏感度的振動光譜與檢測折射率Source：EPFL
根據(jù)EPFL，“當(dāng)光線到達時，石墨烯納米結(jié)構(gòu)中的電子開始振蕩。這種現(xiàn)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(dāng)于目標(biāo)分子的尺寸，因而能夠用于檢測納米結(jié)構(gòu)。”
針對這種傳感器的潛在應(yīng)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(zhì)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(xiàn)變化，然后結(jié)合電傳感檢測器，就可以讓石墨烯成為一種優(yōu)異的氣體傳感器。
應(yīng)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(chuàng)造新的成像系統(tǒng)。
這個過程將大大簡化反復(fù)試驗原子級(Atomic-scale)工程學(xué)的設(shè)計和重新設(shè)計過程。
大多數(shù)電子產(chǎn)業(yè)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(tài)。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(jié)構(gòu)，而校正結(jié)構(gòu)的過程通常相當(dāng)復(fù)雜，一個設(shè)計完成在之前，須經(jīng)過反復(fù)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(shù)，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(jié)構(gòu)—可在計算機中顯示3D模型，目的在于設(shè)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(gòu)，滿足現(xiàn)今許多產(chǎn)業(yè)需求。
圖：SINGLE使用TEM為在GLC中自由旋轉(zhuǎn)的鉑納米粒子成像，以確定個別的膠體納米顆粒3D結(jié)構(gòu)。
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(gòu)造出TR3D模型，精準(zhǔn)度可超越他們現(xiàn)在擁有的2納米精準(zhǔn)度設(shè)備。
應(yīng)用八：超導(dǎo)體
加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(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(dǎo)體)。
圖：鋰(黃色)在原始石墨烯(black)晶格中摻雜的原子結(jié)構(gòu)。Source：UBC
Damasdcelli已經(jīng)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(diào)整參數(shù)，希望最終能在正常的大氣壓力與室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)體，或至少是在可輕松實現(xiàn)商用產(chǎn)品的溫度條件下，例如液態(tài)氮的溫度——77度絕對溫度，可望較易于在設(shè)備中進行維護。
應(yīng)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(qū)動。”
因此，軍用、救生用加熱衣服是正在開發(fā)的一種產(chǎn)品。
其他產(chǎn)品還包括利用石墨烯復(fù)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(shè)備，以及儲能電池的改性。
應(yīng)用十：太陽能電池
在麻省理工學(xué)院的一份學(xué)術(shù)報告中指出，石墨烯已經(jīng)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(nèi)容正是關(guān)于在一些設(shè)備中搭載太陽能電池的解決方案。
“石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。”
石墨烯太陽能技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率高達60%，是現(xiàn)有多晶硅太陽能技術(shù)的2倍。當(dāng)前市面上的太陽能電池板基本為多晶硅，其光電轉(zhuǎn)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(shè)備表面，以獲得光電轉(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)品設(shè)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(shè)備，柔性智能設(shè)備。
應(yīng)用十一：觀察大腦活動
根據(jù)最近一篇刊載在Phys.org上的文章指出，“神經(jīng)信號的電氣監(jiān)控和刺激是研究腦功能的一種唯一可以依靠的技術(shù)，而使用光子(photons)而非電子的新興光學(xué)技術(shù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(xué)技術(shù)具有明顯的互補優(yōu)勢，如果能一起使用，就太好了，但難點是：傳統(tǒng)金屬電極技術(shù)太厚了，一般大于500nm，光無法穿透!
——OK，石墨烯有彈性，又柔軟，導(dǎo)電性能又良好，而且無毒，正好!
該技術(shù)的應(yīng)用包括神經(jīng)系統(tǒng)、心臟監(jiān)護，甚至是隱形眼鏡(contactlens)。
圖：傳統(tǒng)的金屬電極的技術(shù)(左上)會阻礙神經(jīng)組織的視野。
由DARPA的RE-NET計劃所資助開發(fā)的新的石墨烯傳感器技術(shù)是可以導(dǎo)電的，且只有4個原子厚，比目前的觸點薄數(shù)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(xué)方法來對神經(jīng)組織進行測量與刺激(右上)。數(shù)據(jù)源：DARPA。
應(yīng)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(wěn)定性。
石墨烯獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，使其能很好地作為藥物載體。科學(xué)家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應(yīng)制得復(fù)合物，可在人體內(nèi)緩慢釋放藥物，而且藥物的負載量遠遠高于傳統(tǒng)的藥物載體。
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