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石墨烯跟铅笔是一种东西?为啥铅笔几块钱,石墨烯上百美元一克?

作者:知识TNT

寒冷的冬季,当你想在电商平台上买点保暖衣物的时候,一搜索,一定会跳出来含有“石墨烯”字眼的各类产品。

也可以说是拜这些商品所赐,很多人对石墨烯似乎并不陌生。但说到底,你真的知道石墨烯是什么吗?所谓的石墨烯保暖衣真的有用吗?

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优越的石墨烯材料

石墨烯,也叫二维碳材料,作为碳的同素异形体,它具有着其他物质难以比拟的优越导电性能以及力学优势,可以说,在大部分的高精尖领域都有着它的身影。

就在2004年,来自英国的两位科学家首次发现了石墨烯材料的前身,石墨薄片。那他们是通过什么方式将这种材料提取而出的呢?

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最初,两位科学家在一种名叫高定向热解石墨的物质中,分解出了石墨片。随后他们通过特制胶带,对石墨片进行了粘连与再分解。等到石墨片分解到最大程度时,他们就得到了仅剩下碳原子的薄片,而这也就是我们熟知的石墨烯了。

在当时,物理学界的主流思想还是二维晶体的普通温度下不可能存在热力学涨落,可石墨烯材料却硬生生能够打破了这一常规。因此,随着他们对石墨烯的提取愈发熟练与科学,在短短的六年后,他们就凭此获得了当年的诺贝尔物理奖项。

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安德烈·盖姆(左)科斯提亚·诺沃肖洛夫(右)

伴随着人们对石墨烯材料的研究愈发深入,这种材料的优越特性也被发掘了出来。由于石墨烯是石墨薄片不断分解才形成的,因此单层的碳原子结构也让它的重量变得非常之轻。

然而,学者们对石墨烯的硬度进行检测之后,却发现这种材料的硬度居然能够达到钢材的百倍之多。而且由于石墨烯材料的内部碳原子排列呈现蜂窝结构,因此材料本身也拥有了非常卓越的导电性能与光学优点。

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电子显微镜下的石墨烯

通常来讲,其实由石墨薄片分解而来的石墨纸是非常脆的,但通过后期的人工完善,氧化的石墨纸却能形成韧性极强的石墨烯,这种状态下的石墨烯材料甚至可以进行大幅度的曲折,并且还不会发生断裂。

由于材料本身具有太多的优势特质,因此人类社会的大部分高精尖产业都能够发现它的影子。其中被人们熟知的就有通讯设备、航空航天、以及能源电池领域。但令人疑惑的是,在普通的日常生活中,石墨烯材料却非常少见,鲜有石墨烯产品问世。

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优越性能的背后是高昂的制造成本

自2004年石墨烯出世以来,这种材料其实已经有了二十年的长足发展,甚至在高科技产业也有着举足轻重的地位。

虽然很多领域已经普及了石墨烯材料,但对普通市场来说却仍然难成主流,而这一切的根源则是石墨烯的制造过于高昂复杂。在2020年时,石墨烯材料甚至卖到了每克一百美元的价格。

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也许有人会问,明明铅笔的笔芯都是石墨材料,为什么石墨烯却很难量产。其实,这是因为石墨烯虽然也是碳物质,但从结构来说,却与石墨的三维结构不同。

正如我们所讲,石墨烯也叫做二维碳材料,主要原因就在于它的内部结构呈现出来的是蜂窝状态的六方网格。这种结构确实为它带来了稳定的结构,让其一跃成为了众多材料领域的宠儿。

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但也正因如此,人们一直都无法实现石墨烯材料的完全量化,因为工厂但凡扩大生产规模,石墨烯的结构就会受损从而无法达到材料的使用标准。

目前,石墨烯材料最为普遍的提取方法就是化学气相沉积法。这种方法指的是一种利用气态物质进行反应,从而生成固态沉积的过程。通过此方法,便可以实现多种材料的薄膜剥离,并且能够最大程度的保证薄膜的完整性。

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石墨烯提取需要应用这种方式,也是因为材料本身就是脱胎于一种石墨薄片。虽然在提取方面,我们找到了最合适的方法,但最合适却不意味着最完美。

材料的完整性虽然保持住了,但这种反应过程却需要大量的能量支持才能够正常进行,除此之外,在化学气相沉积法过程中,我们还不得不添加很多额外的有害原料参加反应。

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碳化硅的外延生长方法与流程

除了化学气相沉积法之外,我们还有着碳化硅表面外延生长法等提取石墨烯材料的方式,但它们无一例外,都需要运用到大量的能量作为支持。

而这,也就注定了石墨烯材料在赶制时,必须需要投入大量的生产成本。但对于普通市场而言,大部分的民用产品并没有如此高的材料要求。因此,这也就形成了石墨烯在高精尖产业大放异彩,在普通产业却默默无闻的奇怪现象。

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也许只有我们可以在石墨烯材料的制作成本上实现降低时,才能迎来石墨烯民用化的未来。

民用石墨烯产品仍需辩证看待

广为人知的石墨烯电池、石墨烯保暖内衣真的具有其他产品没有的优势吗?结果其实是存疑的。

事实上,石墨烯材料是具有卓越的热传导性能的。根据学者们多年以来对这种材料的检测,发现了纯净的单层石墨烯材料的导热系数甚至能够达到五千多w/mk,远远高于同形态下的纳米管材质。从这一点来看,石墨烯保暖内衣确实有着很大的市场。

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但热传导性能的卓越,只能证明石墨烯保暖内衣的功能性极强,可从商家的销售成本来看,这会是一个高收益的买卖吗?

答案当然是否定的,正如我们说过的,石墨烯在提取与制造过程中,就需要运用到特殊的技艺,甚至由于材料本身限制很多,所以工厂在进行加工时,还无法无限制的扩大生产规模。

种种限制叠加之下,石墨烯保暖内衣真的能够实现量产吗?我想大家都会打上一个大大的问号。所以说,其实市面上相当一部分的产品都存在着宣传过当的情况,我们在购买的时候一定要擦亮眼睛才好。

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而石墨烯电池其实也存在着这些情况,虽然石墨烯的蜂窝状六方结构确实让它具有了优越的导电性能,但这并不意味着石墨烯材料就能够为产品生产商带来非常大的收益空间。

如果石墨烯电池、石墨烯保暖内衣真的运用到了石墨烯材料,那这些产品在市场竞争中无疑会形成优越的竞争力,但也正因为该材料的提取成本高昂,所以市面上存在虚假宣传的情况也是屡见不鲜。

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所以在挑选民用石墨烯产品时,一定要注重产品品牌以及是否具有合理的售后,以防在交易过程中上当受骗,遭受损失。

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