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石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料.石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达530OW/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s),又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Q·cm;比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料.因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮.它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快.石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学才能描绘,同时,石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况.石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔切,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定.
石墨烯的微观结构呈现微观的二维结构,二维层状材料因其独特的层内原子连接方式,表现出显着的电子离域行为,由此带来了出众的物理和化学性质.团簇具有确定的原子数与明确的结构,是一类介于原子/分子与纳米晶体之间的凝聚态物质,团簇的亚纳米尺寸使得单分子级别的作用力即可主导其自组装行为,可作为"超级原子"构建全新的亚纳米尺度低维材料体系.团簇电子结构、化学性质与原子/分子有类似性,团簇组装体作为一类"超级分子",其中电子可能被多个团簇所共享,对于高度有序的二维团簇组装体,电子在具有相同化学环境的团簇间的离域行为,可能带来异乎寻常的电子结构和催化性质.基于此,清华大学化学系王训课题组首次报道了一类基于多金属氧簇(POM)的新型类石墨烯材料——"团簇类烯".与以往二维材料体系以原子、分子为结构基元不同,该团簇类烯以亚纳米尺度的团簇为结构基元,构筑了一类新型的亚纳米二维材料体系.团簇类烯对于烯烃催化环氧化反应,在催化活性和稳定性方面均显示出极大的提升,其转换频率(TOF)是未组装团簇基元的76.5倍.离散傅里叶变换(DFT)计算结果显示,团簇间的电子离域行为有效的降低了材料参与氧化还原反应的活化能,从而造成了催化活性的显着提升.13种不同元素取代的Keggin型团簇均可用于团簇类烯的构建.本研究揭示了团簇类烯材料独特的电子结构、出众的催化性质和良好的结构普适性,有望启发基于团簇的新材料的设计与合成.
石墨烯和强激光组合打开了极高能离子加速的大门,对激光驱动的离子加速的研究是为了开发一种紧凑和高效的基于等离子体的加速器,它适用于癌症治疗、核聚变和高能物理.大阪大学的研究人员与日本国家量子科学技术研究所(QST)、神户大学和台湾中央大学的研究人员合作,报告了在日本QST的关西光子科学研究所用超强的J-KAREN激光器照射世界上ZUI薄和ZUI强的石墨烯靶材而直接进行高能离子加速.他们的研究结果发表在《Springer Nature》的《科学报告》上.
在激光离子加速理论中,更薄的靶材需要更高的离子能量.然而,由于强激光的噪声成分在到达激光脉冲的主峰之前就破坏了目标,所以一直很难直接用极薄的靶体来加速离子.在这种状况下有必要使用等离子体反射镜,它可以消除噪声成分,以实现强激光的有效离子加速.
(a) 实验示意图.通过用超强的J-KAREN激光照射大面积的悬浮石墨烯目标(LSG),产生高能离子.(b)和(c)分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像.(d)和(e)分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪(TPS)的堆栈检测器的示意图.(g)和(f)分别显示了TPS和堆栈的典型数据.
因此,研究人员开发了大面积悬浮石墨烯(LSG)作为激光离子加速的目标.石墨烯被称为世界上ZUI薄和ZUI强的二维材料,它适合于激光驱动的离子源.原子级薄的石墨烯是透明的,高度导电和导热,而且重量轻,同时也是最强的材料,到目前为止,石墨烯已经得到了各种的应用,包括在交通、医药、电子和能源等方面.同时我们也展示了石墨烯在激光-离子加速领域的另一个颠覆性应用,其中石墨烯的独特功能发挥了不可或缺的作用.
石墨烯的应用
1、电子信息领域
电子信息领域是石墨烯最重要的应用领域.该领域的产业化决定着石墨烯的真正价值和无可替代性.目前研究热点在石墨烯传感器、石墨烯柔性电子器件、石墨烯逻辑电路等.
01、石墨烯传感器
在电子技术中,电信号一般更容易处理.传感器可以将气体、光、力等各种信号转换成电信号.石墨烯独特的能带结构具有优异的电学性质.石墨烯原子裸露在表面上,其电子态很容易受到外界信号的改变而改变,从而导致电学性质的变化,通过电信号来体现.这种特性使石墨烯在传感器领域能发挥巨大的作用.
02、 石墨烯柔性电子器件
当下电子设备,尤其是智能手机,未来的发展方向都是是折叠和卷曲.石墨烯作为超薄柔性的二维材料,具有优异的力学性质,同时兼具超高载流子迁移率和透光性,是一种理想的柔性透明导电薄膜材料,可以用作新一代柔性触控屏.
03、 石墨烯逻辑电路
逻辑电路是计算机、数字控制、自动化等诸多领域的基础,利用二进制运算规则,实现逻辑运算.简单来说,我们需要利用电路的开和关来控制计算机实现不同的功能.计算机运算的快慢决定于电路材料的载流子迁移率.石墨烯具有极高的载流子迁移率,有希望用来制造下一代超快集成电路.
2、储能领域
01、 石墨烯锂离子电池
锂离子电池通过锂离子在电池的正负极之间来回移动来实现电能的存储和释放.理论上,石墨烯可以作为活性材料来直接储存锂离子,也可以作为导电材料来辅助电池的性能.实际中,石墨烯直接储存锂离子的能力不能达到实际使用需求.所以更多的是作为导电剂来提高电化学效率.
02、石墨烯超级电容器
超级电容器和锂离子电池一样,也可以储存和释放电能.超级电容器的储存单位电量较少,但可以瞬间提供大量的电量,所以可以满足需要瞬间大功率放电的需求.石墨烯/金属氧化物复合材料利用石墨烯作为金属氧化物的载体,使其在纳米尺度分散,可用于赝电容器中的电极活性材料.导电性、机械稳定性、和电化学性能都得到了提高.
03、 石墨烯固态储氢
传统的氢气储运主要通过高压气态法或低温液态法实现,高压气态法对容器质量要求高、容易造成氢气的泄露,安全性低.低温液态法需要将氢气冷却至-200 以下,成本昂贵,经济性差导致适用范围小.同时这两种方法都必须使用笨重的罐体来承压或保温,造成了巨大的有效质量损失,导致总储氢密度大幅降低.石墨烯界面纳米阀固态储氢材料,以高活性轻金属氢化物为原材料,在不同组分界面建立石墨烯界面纳米阀结构,通过界面纳米阀非催化动力学调控机制实现储氢材料安全、可控、低温稳定释氢.
3、复合材料领域
石墨烯是目前力学强度最高的材料,其弹性模量高达1TPa,拉伸强度高达180GPa,被认为是增强材料力学性能的理想添加剂.仅仅较小的石墨烯添加量,材料的韧性、强度、和刚度等力学性能得到显着的提升.
01 、石墨烯/高分子聚合物复合材料
02、 石墨烯/无机非金属复合材料
无机非金属材料本身已经具有较高的刚性和强度,石墨烯主要起到增韧性或组织裂纹增长的作用.之前的研究主要集中在石墨烯陶瓷复合增强材料和石墨烯碳纤维复合增强材料.现在已经向建筑行业逐渐转变,出现石墨烯增强水泥、石墨烯增强玻璃等.
什么是石墨烯？听说对癌症有辅助治疗的效果。
石墨烯的应用---石墨烯电池
在电池生产中石墨烯可直接作为正负极材料，或是作为导电添加剂添加到正负极材料中，还有是作为涂层提高电池功率特性。充电和续驶里程问题一直困扰着新能源汽车，这是因为铅酸电池和传统锂电池的发展遭遇“瓶颈”，而石墨烯电池有望在此取得突破。在不久前举行的上海车展上，有车企推出了一款石墨烯钛酸锂电池，可以实现10～15分钟快速充电，可持续充放电超过4万次，油电综合续驶里程可达1000千米以上。
2. 石墨烯的应用---石墨烯集成电路
由于具备超高电子传输能力和良好的导热能力，石墨烯被认为会取代现在广泛使用的硅而成为下一代集成电路的根基。2010年，美国一个研究团队制成了首块基于石墨烯的晶体管，并将其整合进一块完整的集成电路中。2016年，中国科学家研制出首只低噪声放大单片集成电路。
3. 石墨烯的应用---石墨烯触摸屏
智能手机最关键的部件是有一块既能导电又非常透明的触摸屏，而石墨烯的良好的柔韧性、导电性和光学透明性完全能满足这一需求，比目前的透明电极材料氧化铟锡（ITO）更完美。韩国研究人员已制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲的显示屏，用这种方法还可制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器、平板显示器、有机发光二极管等。
4. 石墨烯的应用---石墨烯存储器
英国、韩国的研究人员还在致力开发基于氧化石墨烯的可弯曲、透明的存储系统。基于石墨烯的新型存储材料成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高，可以三维堆积。例如，英国开发的这款石墨烯二氧化钛存储只有50 纳米长、8 纳米厚，写入和读取速度仅需5 纳秒。随着基于石墨烯的触屏、内存等电子器件不断开发，未来可弯曲、全透明的智能手机将成为现实。
5. 石墨烯的应用---石墨烯超级材料
美国研究人员把柔软的石墨变成了强劲的“钢筋”，过程是把单层二维结构的石墨烯变成具有三维结构的石墨烯泡沫状材料，再用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料，从而制成“钢筋石墨烯”。中国研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有蜂窝状结构的泡沫材料，它像气球一样轻却像金属一样坚固，未来可以用其制造防弹衣、坦克装甲等。
6. 石墨烯的应用---癌症早期诊断
中国科学家首次发现石墨烯有助于癌症早期诊断。在机体出现异常情况时，核酸分子生物标志物cmocroRNA在血清、尿液以及唾液中含量也会随之改变，但一般检测方法难以捕捉到，而借助石墨烯的强吸附性，可使检测的灵敏度大大提高。通过对捕捉到的cmocroRNA进行综合性分析，即可得出机体是否出现癌变，以及是哪种癌症，对于各类癌症的早期诊断、治疗具有重要意义。
7. 石墨烯的应用---石墨烯“人工喉”
人的喉咙仅能发出声音而无法感知声音。如果能有一种材料可以同时感知声音、发出声音，并且具有柔性，用其制成“人工喉”，就能解决像霍金那样的肌肉萎缩患者，甚至聋哑人的说话难题。最近，中国研究人员就利用多孔石墨烯材料研发出这种集成声学器件，它通过热声效应发出声音，通过压阻效应接收声音信号。
8. 石墨烯的应用---石墨烯灯泡
现在传统的白炽灯泡已逐步被白光LED所取代，虽然LED照明功耗低、效果好，但价格高，且制作时需要稀土元素作为原材料。在英国，科学家研制出全新的石墨烯灯泡，拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格，可让灯泡使用时间延长，进一步减少10%的能源消耗。
9. 石墨烯的应用---海水淡化滤膜
目前的海水淡化方法需要消耗大量能源，成本高，还会对环境产生负面影响。英国研究人员正在研究以相对廉价的石墨烯氧化物滤膜来进行海水淡化。这是一种可让水分子通过而盐离子滤出的选透性薄膜，不需要高温和高压，因而是一种低成本的海水淡化替代方案。
10. 石墨烯的应用---石墨烯除污海绵
科学家利用石墨烯“海绵体”超高的比表面积，对有毒有害物质进行吸附，吸附量可达自重的上百倍，吸附之后经过处理还可循环使用。中国科学家在普通海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层，利用其导电、疏水、亲油特性，吸附海面上泄漏的浮油。
11.石墨烯的应用---防锈
由于石墨烯不会溶于水，因此可以混合聚合物用于防锈涂层。石墨烯不溶于水加上超高导电性，如果与钢结合的话，就可以防止钢接触到水并缓解氧化铁的电化学反应。之前就有一位化学家做了实验，将喷了此涂层的钢浸泡在盐水中，一个月后钢的表面没有任何锈迹出现。设想下，如果喷在汽车上呢，是不是就不怕爱车生锈了！
12.石墨烯的应用---扬声器
这种扬声器的发声原理是石墨烯通过传输电流产生的热能发声。如果将厚度不足一纳米的一层石墨烯放于玻璃以及两种塑料上（两种不同类型），然后施加交流电，就能听到声音了。这种扬声器不是通过隔膜振动，而是通过石墨烯运输电流发声，最大的优势就在于薄以及柔韧性，可以做成任何形状。
13.石墨烯的应用---超级电容
我们都知道电容是可以存储电能的，比如相机的闪光灯就是依靠它提供能量。但是单位质量的电容所存储的电能有限，这个时候就要用电池了。然后石墨烯电容可以存储更多的能量，还可以有更多的充放电次数。完全可以不用电池提供能量了。
14.石墨烯的应用---清理放射性废弃物
这个就是依靠石墨烯的超强吸附能力了。将石墨烯氧化物微粒与放射性物质相结合，然后聚集成团，这样就非常便于后期的收集。以后核废料的清除将变得更安全。
15.石墨烯的应用---柔性电子线路
电脑的运算速度提高50倍。现在的电脑芯片，最重要的材料是硅。而石墨烯比硅具有更好的导电性能，它可以用更少的电力，产生更小的热量，甚至都可以淘汰掉冷却风扇，而且速度还可以提高50倍。最近也有很多有关石墨烯代替硅的资讯，从当中我们不难预测，未来五年内很有可能第一批石墨烯处理器将诞生并投入市场。
16.石墨烯的应用---人工肌肉
把一层石墨烯固定在聚合物上，只要有电流通过，就会产生褶皱和伸展。这个用途也是从一个实验开始想到的。在一个实验石墨烯柔韧性的实验上，科学家们把石墨烯固定在准备拉伸的橡胶薄片上，当拉力消失的时候，石墨烯还是稳稳的贴合在薄片上。从这个实验可以想到，如果是把石墨烯贴合到聚合物上呢？只要给聚合物上有电流通过，就会发生伸缩现象了。这不正是我们人体肌肉的关键部分么！
17.石墨烯的应用---探测爆炸物
对于低浓度爆炸物，可用石墨烯泡沫来探测。这个原理主要是由于石墨烯泡沫能够探测到低浓度的硝酸盐和氨。只要把这个探测器做成电话卡一样的大小就可以了。
18.石墨烯的应用---DNA测序
石墨烯泡沫过滤器主要是控制石墨烯空隙的大小。这种方法的优点和缺点很有意思，因为优点和缺点分别是成本低和成本高：现有技术是该新技术的三到五倍，然后用于石墨烯DNA测序的设备，价格高达十几万美元。
19.石墨烯的应用---夜视
专业的夜视设备，将有望更轻便，方便携带。如果是用石墨烯的底片，并且在此底片上添加硫化铅晶体，结果就是夜视设备将更灵敏，更具有柔韧性。这样的话，就可以制造出更薄更方便携带的夜视镜咯！
当然可以，而且已经应用于癌症治疗。
石墨烯是由单层的碳原子以sp2链接起来的一种二维材料，石墨烯由于是碳原子骨架构成，不含任何重金属元素，因此石墨烯的生物相容性比较好，毒性比较低。目前石墨烯研究和应用主要集中于传感器、太阳能电池、海水淡化、储氢材料制备、航空航天等领域。当然，石墨烯（一般使用氧化石墨烯）在生物医药领域，目前也取得了一些不错的成绩。特别是使用氧化石墨烯进行抗菌的研究方面，已有较多报道。当然，使用石墨烯用于癌症治疗，也已成为热点领域。
1.氧化石墨烯把近红外光转化为热能，把癌症活活热死（光热治疗）。
石墨烯对近红外光有一定的吸收，可以把所吸收的光转化为热量，这样就促使肿瘤组织局部升温，从而导致肿瘤活活热死。这就是所谓的光热治疗。
2.利用氧化石墨烯作为药物载体，实现肿瘤高效率化疗。
常规化疗药物往往水溶性都不太好，而且没有什么靶向性，会误伤正常细胞，长时间服用还会使癌细胞产生耐药性。氧化石墨烯即具有亲水基团，又具有疏水的sp2碳骨架，所以，具有两亲性。利用π~π堆积作用，就可以负载抗癌药物形成纳米颗粒，然后通过被动的EPR效应（肿瘤组织富集效应），就可以使药物主要富集于肿瘤组织，从而降低毒副作用。另外，如果给氧化石墨烯在修饰上主动靶向分子，就可以实现主被动靶向集于一身的特异性癌细胞灭杀能力。
当然，也可以结合氧化石墨烯的光热治疗作用，实现肿瘤的光热和药物化疗协同治疗，从而大大提高治疗效率。另外，氧化石墨烯也可以通过修饰运载核酸，实现基因治疗和化疗的联合治疗。
关于“新型导热材料石墨烯的介绍及应用”这个话题的介绍，今天小编就给大家分享完了，如果对你有所帮助请保持对本站的关注！
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