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“万能”的石墨烯:改变世界!

graphene 2021-06-23 07:40 96

石墨烯的结构是由碳原子组成的原子尺度的蜂窝状晶格

石墨烯可能是世界上最有用的材料之一。虽然,它只有一个碳原子那么厚,但它比钢强很多倍,而且非常灵活。

自从2004年研究人员首次将其分离出来,涉及石墨烯的专利清单每年都呈指数级增长。估计用不了多久,这种超级材料就会引发一场可能真正改变世界的技术革命。

我们汇总了一些在不久的将来,值得期待的几项意义深远的石墨烯发明。

1. 空气中获取燃料

曼彻斯特大学的安德烈·海姆(安德烈·盖姆)及其同事曾因分离石墨烯而获得诺贝尔奖。他们的研究表明,石墨烯可以用来制造由从空气中提取的氢提供动力的移动发电机。海姆的研究小组发现,尽管石墨烯即使对最小的原子也是不可渗透的,但它可以用来筛选被剥离电子的氢原子。

石墨烯质子传导膜示意图

这意味着,石墨烯薄膜可以用来极大地提高质子传导膜的效率,质子传导膜是燃料电池技术的重要组成部分。科学家设想,未来汽车可以仅靠环境空气中微量的氢气提供动力。安德烈·海姆表示:“从本质上讲,你从大气中抽出燃料并从中获得电力。”

2. 防止蚊子叮咬

与燃料电池相同的不渗透性提高了石墨烯的其他潜在用途,包括将蚊子拒之门外。在这个应用中,研究人员发现了两种途径来阻止这些致命的昆虫。

布朗大学(布朗大学的研究人员发现,多层石墨烯可以阻止蚊子感知皮肤或汗液相关化学物质的能力,这为处理蚊子提供了一种不寻常的非化学方法。最重要的是,这些层提供了一个蚊子根本无法咬穿的物理屏障。

石墨烯织物面料细节

研究人员表示,有了石墨烯,蚊子甚至都不会落在皮肤上。科学家原本以为石墨烯只是一种物理屏障,通过抗刺穿作用,阻止蚊子叮咬,但当看到这些实验时,发现它也是一种化学屏障,可以阻止蚊子感知到有人在那里。

下一步是创造一种石墨烯屏障,这种屏障在潮湿的时候和干燥的时候一样有效,因为蚊子可以在织物潮湿时让它们的纤维束或进食装置穿过织物。

3.更多的饮用水

石墨烯甚至可以帮助解决世界水危机。由石墨烯制成的膜既可以让水通过,但又足以过滤掉盐。换句话说,石墨烯可以彻底改变海水淡化技术。麻省理工学院的研究人员发现,这种材料的透水率比传统的反渗透膜高几个数量级,纳米多孔石墨烯可能在水净化方面发挥有价值的作用。

事实上,有一种类型的石墨烯已经被证明在水过滤方面非常有效,它使悉尼港的水样在通过过滤器一次后就可以安全饮用。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO公司)的研究人员使用了一种名为““葡萄头发”的石墨烯形式,使海水经过单一处理后可以饮用。

石墨烯淡化海水成本低,可直接饮用

CSIRO公司的科学家表示,这项技术只需一步,就可以制造出干净的饮用水,无论它有多脏。我们需要的只是热量、石墨烯、膜过滤器和一个小水泵。我们希望可以在发展中国家开始实地试验。

2019年,发表在“材料科学与工程C“(材料科学&;工程(C)上的另外一项研究,将这一概念又向前推进了一步,使得氯化的需求变得过时。来自俄罗斯国立科技大学(米西斯)和其他科学家的研究表明,将氧化石墨烯注入含有大肠杆菌的溶液中,石墨烯通过形成薄片“捕获”细菌。一旦从溶液中捞出薄片,水就可以饮用,石墨烯甚至可以重复使用。

4. 电子产品

请忘记硅谷吧!未来可能就在石墨烯谷(石墨烯谷)今天,我们的电子设备依赖硅作为关键元件,但硅制成的晶体管正在接近它们可以发挥作用的最小尺寸,这意味着我们设备的速度很快就会触底。然而,石墨烯的超薄性质可能是这个问题的答案。也许用不了多久,石墨烯就会取代我们电子设备中的硅,使它们比以往任何时候都更快。石墨烯还将使制造超薄、灵活的触摸屏成为可能,而这种触摸屏几乎牢不可破。你再也不用担心会打碎你的智能手机了。

石墨烯材料触控屏

2018年,麻省理工学院(麻省理工学院)和哈佛大学的研究人员发现,石墨烯具有更惊人的电子特性。它可以在两种极端情况下调节:作为绝缘体或超导体。换句话说,同样的材料既可以阻挡电子的流动,也可以无阻力地传导电流。

麻省理工学院物理学家表示,我们现在可以将石墨烯作为研究非常规超导性的新平台。人们可以想象用石墨烯制造超导晶体管,你可以打开和关闭它,从超导到绝缘。这为量子器件打开了许多可能性。

5. “捕食者”的视力

经典科幻动作电影《铁血战士》中,外星刺客有能力通过热红外线看到世界。现在,多亏了石墨烯,你或许能够拥有“捕食者”的视觉。密歇根大学的研究人员开发了一种石墨烯隐形眼镜,佩戴者可以感知整个红外光谱 —— 外加可见光和紫外线。

石墨烯隐形眼镜

专家们表示,如果我们把它与隐形眼镜或其他可穿戴电子设备结合起来,它会扩展你的视野,它为你提供了另一种与环境互动的方式。

6.更好的避孕套

石墨烯甚至可能有能力改善你的性生活。石墨烯制成的避孕套可以更为超薄,这意味着能够获得更多的感觉。而且,它们也是超级坚固的,这意味着它们不太可能破裂,这是对任何避孕套的真正考验。2013年,领导石墨烯避孕套研究的材料科学家阿拉文德·维贾亚拉格哈万表示,如果这个项目成功,我们可能会使用石墨烯,它将以最亲密的方式接触我们的日常生活。

石墨烯材料避孕套薄如蝉翼

对石墨烯避孕套的追求比一些倡导者预期的要慢,但它仍然在进行。比尔和梅琳达·盖茨基金会(比尔和梅琳达·盖茨基金会)在2013年资助石墨烯避孕套的研究时掀起了波澜,虽然这一努力有点停滞不前,但它已经显示出足够的希望来赚取额外的资金。与此同时,至少有一家公司加入了这一潮流,推出了“石墨烯灵感的避孕套”,这种避孕套实际上并不使用石墨烯,而是借用了它的六边形结构。

7. 一个不会生锈的世界

因为石墨烯几乎是不可渗透的,有一天,石墨烯涂料可以用来消除腐蚀和生锈。研究人员甚至表示,用石墨烯涂料覆盖的玻璃器皿或铜板可以用作强腐蚀性酸的容器。

喷涂石墨烯防腐涂料

开发这项技术的研究人员称,石墨烯涂料很有可能成为一种真正具有革命性的产品,适用于任何类型的工业,包括空气、天气因素或腐蚀性化学物质的防护。这些行业包括,医疗、电子和核工业,甚至造船业等等。

8. 发光壁纸

由于新型石墨烯电极技术的发展,发光的墙壁可能很快取代灯泡,还可以使显示器比现在更薄。这种发光的“墙纸”提供了比电灯泡更舒适、更可调节的房间光线,而且更为节能。想想一下,没有什么东西比发光的“电子争霸战”般的墙壁更具有未来感。

测试中的石墨烯发光壁纸

专家们表示,用石墨烯代替传统的金属电极,未来的元件将更容易回收,因此对环境更有吸引力。

9. 仿生人类

如果,你觉得自己已经与科技过度融合,那你就太缺乏想象力了。石墨烯研究正引领着电子与生物系统集成的实验。基本上,很快就可以植入石墨烯装置来读取神经系统或与细胞对话。

这项技术可能会导致医学上的突破,帮助医生监控你的身体,甚至调整你的生物系统以达到最佳健康状态。这项技术也可以帮助狂热的健身爱好者跟踪和监控他们的锻炼计划。

10. 更好、更安全的染发剂

这项技术虽然不会像其他一些应用那样改变世界,但石墨烯作为一种更安全的有毒染发剂替代品,同样显示出了希望。在2018年的一项研究中,美国西北大学(西北大学的研究人员报告称,石墨烯不仅可以媲美永久性染发剂的性能,而且不需要添加任何有机溶剂或有毒分子成分。除此之外,它还能增强头发的抗菌、抗静电和散热性能。

这张照片显示了一种基于石墨烯的颜料染色之前(左)和之后(右)的金色头发

研究人员将石墨烯-氧化物凝胶喷在人的头发上,然后让它干燥10分钟。这缕头发就被涂上一层只有2微米厚的石墨烯薄膜,据报道,即使洗30次,石墨烯薄膜也不会脱落。这项研究专家称,这种抗静电性能可以带来更多的审美上的好处,而且这种涂层也不会对你的头发或健康造成伤害。

11. 防弹装甲

考虑到石墨烯的厚度和强度,它似乎不可避免地被用于制造和改进防弹背心。果然,研究人员发现,石墨烯片吸收的冲击力是凯夫拉尔材料的两倍。凯夫拉尔是防弹背心中常用的材料。与凯夫拉尔相比,石墨烯更轻,因此对磨损的限制更小。这一突破可以帮助我们的士兵和执法人员在受到射击时保持更安全。石墨烯的薄层性质甚至可能导致其他防弹表面的发展,比如窗户等。

石墨烯防弹材料

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