世界上最強(qiáng)的材料是什么材料？石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。下面就跟360常識(shí)網(wǎng)一起具體看看世界上最強(qiáng)的材料等相關(guān)內(nèi)容。
研究歷史
實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是一層甚至幾層石墨烯。
2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。
這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。
2018年3月31日，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型這三大太陽(yáng)能發(fā)電難題。
2018年6月27日，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布新制訂的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn)：碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)電子生成sp2鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實(shí)，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每?jī)蓚�(gè)相鄰碳原子間的鍵長(zhǎng)為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個(gè)碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。
力學(xué)特性
石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強(qiáng)度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會(huì)異常堅(jiān)固強(qiáng)韌。
電子效應(yīng)
石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數(shù)值超過(guò)了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達(dá)250000cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。
另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過(guò)電場(chǎng)作用改變化學(xué)勢(shì)而被觀察到，而科學(xué)家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生背散射，這是石墨烯局域超強(qiáng)導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質(zhì)量，他們的速度是和動(dòng)能沒有關(guān)系的常數(shù)。
石墨烯是一種零距離半導(dǎo)體，因?yàn)樗膫鲗?dǎo)和價(jià)帶在狄拉克點(diǎn)相遇。在狄拉克點(diǎn)的六個(gè)位置動(dòng)量空間的邊緣布里淵區(qū)分為兩組等效的三份。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要點(diǎn)通常為Γ，動(dòng)量為零。
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