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胶带撕出来的诺贝尔奖,原来我们曾经离诺贝尔奖这么近!


时间:2020-10-29 13:47:17  来源:  作者:

我们在读书的时候都拿铅笔写过很多字,一行又一行,一天又一天,大家都觉得这是件很平常的事情,但儿时的我们还不知道这些灰黑的字迹里藏着无限的可能性。每个用铅笔的人都离诺贝尔奖只有一步之遥。


2010年,安德利和康斯坦丁这两位科学家因为发现了超级材料石墨烯荣获诺贝尔物理学奖,石墨烯及其薄又极其坚韧,而且具有很强的导电性和导热性。人类所有的产业都会因为石墨烯出现而突飞猛进,而这种神奇的材料其实就来自于铅笔芯里的石墨。

石墨并不怎么坚韧,只要跟纸摩擦就会留下痕迹,所以才拿来当笔用。而且一受力就会碎,所以削铅笔都得小心翼翼的。那什么东西很硬呢?大家可能会马上想到了一颗恒久远的钻石。


石墨和钻石,其实从本质上来说都是碳构成的,但是碳原子排列组合方式不同,给了他俩完全不同的形态和特点。用科学术语来说,石墨和钻石互相是对方的同素异形体。

科学家研究了多种碳的同素异形体,明白了石墨为什么不坚韧。因为它是由一层层碳原子堆起来的,但是两层中间是空的,并没有结构作为支撑,就好像摩天大楼省掉了柱子,只是靠原子的微弱引力让两层碳原子吸附在一起。如果受到外力,石墨就会从两层碳原子中间断裂。

科学家分析钻石等同素异形体后得到了一个猜想,如果把大楼的每一层单独拎出来,应该会异常坚韧,因为这里的碳原子呈六边形,网格状排布原子之间的连接很牢固,猜想很早就有,但是在过去几十年里,世人都没有办法验证这个猜想。


一厘米厚的石墨由一千五百万层碳原子堆成,单层的碳原子实在是太薄了。科学家用尽了各种手段,都无法分离出单层的石墨。然后安德利和康斯坦丁来了。这两位俄罗斯裔的学者以战斗民族的独特思维想出了一个简单到令人发指的法子:拿胶带撕。

很多小伙伴可能听过关于A4纸对折的数学趣闻,仅零点一毫米厚的不起眼的A4纸对折14次厚度就会变得和山一样高。对着37次厚度就会超过地球的直径。这个趣闻就是告诉我们,再薄的东西,只要不断成长就会变得极厚无比。


安德利和康斯坦丁的手段就是把折纸过程反过来,他们拿了一块石墨薄片,在两面都贴上胶带,然后一撕,薄片就被撕开了,成了两半,然后拿薄的那一半贴上胶带继续分。这么不停重复下去,相当于石墨不断除以二。最终他们撕出了单层的碳原子,并将其命名为石墨烯。

得到了石墨烯之后,科学家们一测试就十分惊奇,它是人类已知的最薄的材料,仅有0.35纳米厚,他也是人类已知强度最高的物质,比钢铁高两百倍。与此同时,他还能承受拉伸和弯曲,这意味着石墨烯可以替代现有的高强度材料,用于制作防弹衣或者是汽车飞机,没准还会变成我们日常使用的袋子。


哥伦比亚大学的一项研究表明,如果将石墨烯制成包装袋,能够承受两吨重的物品,石墨烯还是世界上电阻最小的材料,远超导电性最好的金属银,它的导热性也极强,他甚至还是接近透明的,因此能被用于制作各种电器。

基于石墨烯,我们可以开发出超级电池,在同等体积下,它可以储存的电量是传统电池的数倍,充电速度也要快得多,几秒钟内就可以充满。如果用石墨烯制造芯片和电路板,他们就能变得更加精密,性能也会得到飞跃。良好的导热性让计算机也不用再担心温度问题。


石墨烯的网状结构使得它具备了天生的过滤能力,比如你把海水倒入石墨烯滤网里,盐分会被挂在网上,只有水会从孔洞中通过,这样就直接得到了淡水。总而言之啊,只有你想不到的,没有石墨烯做不到的就是。这么牛气,绝对值一个诺贝尔奖。

人类每一次在技术上有重大突破,往往都会引发产业革命,没能及时学会新技术的国家就会被世界甩开,然后被迫给别的国家当打工仔。回望历史,每次工业革命都是这剧情,大家肯定很关心石墨烯摘下诺奖桂冠的十年后,咱们中国研究的如何了呢?

负责任的说,中国对石墨烯非常上心,从2011年起,中国的石墨烯相关论文数量已经接近六万篇,在全世界排第一。排第二名的美国论文数量只有两万篇。2018年时,中国申请石墨烯专利的数量已经达到了37521件,在世界总量中占67%,份额也是全球第一。


涉及石墨烯技术的中国企业超过了五千家,其中比较有代表性的成果是由北京石墨烯研究院研发的超级石墨烯玻璃。中国学者经过长达五年的努力,成功在普通玻璃表面覆盖石墨烯酯玻璃,具有导电导热功能,全世界仅此一家。

这种超级石墨烯玻璃量产之后,能让我们身边的一切玻璃都变的多功能。原本黑色的手机电视屏幕可以真的做到透明,原本透明的窗户可以成为家里的显示器,甚至能当暖气片。

南开大


学一项研究也很有意思,学者将石墨烯进行特殊处理后放进真空环境。石墨烯如果被阳光晒到,就会在真空中移动。学者们推测,可能是石墨烯在被光照的瞬间释放出了电子流,推动石墨烯运动。

这个发现没准会成为人类征服星辰大海的动力。如果在宇宙飞船屁股后面张开一块巨大石墨烯帆布,就能直接靠阳光驱动飞船,有源源不断的推力,不用再担心燃料不够了。


在石墨烯带来的革命中,中国已经占了先发优势,这是值得高兴的,但咱们也还没到高枕无忧的时候。咱们的石墨烯专利94.6%都是本土专利,并没有在其他国家申请保护。掌握技术的人还没有布局全世界的眼光,这可能会留下国际专利纠纷的隐患。

而中国石墨烯技术大多是高校和研究机构开发出来的开发者,自己是没有办法将这些技术变成商品的,最终还是要靠企业。而高校研究机构与企业之间又缺乏合作,导致很多号技术被束之高阁。


如果细究起来,中国的石墨烯专利有集中于石墨烯的应用领域,极少有石墨烯生产技术的专利。要是不能大规模量产石墨烯,并让它的价格变得便宜。即使想出了怎么使用也白搭,因为没有原料。所以说,在捣鼓石墨烯这条路上,中国依然任重而道远。

也许我们需要几代挖井人的努力,最终才能喝上井水,但自家的水绝对比从别人那买来的要甘甜。 

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