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石墨烯是什么?

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最近呢有个小朋友给我发来私信,说他听说一种概念叫做石墨烯。这个石墨烯啊特别神奇。他问我石墨烯为什么会具有这么神奇的性质,他到底是什么呢?
今天呢就给大家介绍一下,我们首先呢要了解一个概念,名字叫做铜塑异形体。
什么叫同俗异形体的?我们知道啊自然界的物质都是由不同的元素构成的。那么有一些物质呢他们是由相同的元素构成的,但是他们表现却很不一样。
原因是因为分子结构的不同。比如说呢我们平常呼吸需要用氧气,氧气呢是有两个原子构成的两个氧原子。那么还有一种呢叫做臭氧。
啊,这个臭氧啊其实也是有氧原子构成的,只不过他是三个氧原子。那他们两个之间呢就是同素异形体,而且他们的化学性质是很不一样的。比如说氧气是我们所需要的。
但是臭氧浓度一旦高的人就会中毒。再比如说呢有两种,临,一种叫红菱。
一种叫白领,其实呢红磷和白磷都是宁元素构成的,都是单质。
但是呢红磷和白磷的化学性质是不一样的。比如说白磷有剧毒,但是红磷却没有毒啊,这个也是同素异形体。那我们现在来研究一下啊,自然界的第六号元素碳他有哪些投诉异形体。
比如说啊比较典型的金刚石。
也就是。
我们平常所说的钻石。
这个钻石啊,他其实就是由碳构成的。科学家们最开始研究钻石的时候拿放大镜去看,结果钻石突然间消失了啊,科学家们怀疑啊实际上是碳变成了二氧化碳。
啊,烧没了是吧,这个金刚石它的结构是什么样子的呢?做了这样一个模型,大家看一下啊,就是每一个碳原子啊周围有四个碳原子,而且中间这个碳原子和周围这四个碳原子呢构成了一个正四面体的结构啊,他们之间呢靠这。
很强的共价键结合。所以金刚石呢它硬度非常大,结构呢非常坚固啊,这是第一种,他的同位素叫金刚石。那还有什么呢?第二个叫做富勒烯。
啊,富勒烯。
这个富勒烯呀发现的时间不长,有的时候我们也管它叫足球碳或者叫探六十,为什么叫碳六十呢?这是因为把这个他的形状呢是一个球形,咱们看一下啊。
他就像一个足球的表面一样,一共有六十个碳原子啊,那么有的碳原子会形成五边形,而有的碳原子呢会形成六边形。那么因为这个结构呢非常像建筑学家富乐。
他的道德建筑。所以呢科学家们就把它命名为富勒烯。这个部落期呢是在一九八五年的时候被英国和美国的科学家发现的。到了一九九六年的时候呢就获得了诺贝尔奖啊,这也是一个很重要的材料。
那么除了付乐器以外,还有什么样的判断投诉异形体呢?那还有一种,你比如说叫碳纳米管啊,碳纳米管。
碳纳米管是什么意思呢?就是说以咱们通过设计啊研究说在这样一种结构,大家看这种结构每一个黑点都表示一个碳原子啊,两个这个白线表示碳原子之间的。
这个化学键,那么他形成了一个管的结构,在某一个尺度上非常小。咱们看看在这个方向上其实非常小纳米量级,但是这个方向上却非常非常长,可以达到微米量级。那所以这种结构呢称之为碳纳米管。
这种东西呢有很好的导热性能啊,这个是九一年的时候日本科学家发现的。
除了这个以外啊,第三件还有一个就是我们今天所说的啊石墨烯。我们先来说石墨啊,石墨是什么,石墨呢其实是一种矿物质。比如说我们在呃这个写字的时候,那个铅笔。
铅笔那个芯儿对吧?那就是始末啊,他呢比较柔软,比较这个光滑,可以用来做润滑剂啊,这是石墨,然后还可以导电,可以用来做电电极,对吧?那石墨的结构什么样呢?
大概是这个样子,咱们再看一下啊,石墨的结构呢是分层的,每一层呢会有一个正六边形这样的一个结构啊,正六边形的结构每一个黑色的都是一个碳原子。
而我们看到石墨其实是很多很多层一层一层堆积起来的。那么在同一层内,两个原子之间是靠化学键作用联系在一起,所以比较坚固。但是层之间。
其实是没有化学键的,它是靠分子的范德华力作用联合在一起的。所以他们两层之间呢其实是可以相互滑动的。我这里把它连起来了,但实际上呢他不应该连起来,而应该是可以相对滑动的啊,应该把它拆开。
拆开了之后呢,他就可以相对滑动啊,什么就具有润滑性了。好了,那这就是石墨,那我们所说的石墨烯到底是什么呢?其实很简单,如果我们把石墨中一层拿出来,就构成了石墨烯。
也就是说,石墨烯其实就是单层石墨就是我单拿单独拿出来一层,哎,这个就叫石墨烯。只要你能够把石墨切出一片来。
这一片就一层原子好了,你就拿出了时空惜了啊,这就是石墨烯的含义,是吧?为什么叫c 呢?是因为它有碳碳双键啊,一会儿我们介绍这个这个问题。那现在我们知道石墨烯其实就是把食物拿出一层了,他为什么就这么神奇呢?
我们再介绍一下啊石墨烯的特点。
石墨烯这种材料啊,其实发现的时间并不长。在之前人们一直预言这种东西它是不存在的啊,那么他是怎么发现的呢?
发现历程啊,首先在两千零四年的时候,这个英国曼彻斯特大学有两位科学家,一个人名字叫安德烈海姆。
安德烈。
海姆。
还有一个人呢名字叫诺沃肖洛夫。
诺沃肖洛夫啊,这两个科学家呢他们。
研究如何获得单层的石墨啊,结果呢他们就使用了一种方法,什么方法呢?就是私教带,什么叫撕胶带,大家明白吗?这个我们平时啊写作业的时候写错了。
啊,然后我们会用一个胶带粘到这个作业本上,然后把这个胶带撕下来,这样一来会怎么样就会把那个我们写的笔记就摘下来了,我们就可以接接着往下写了,对不对?
那么他们这种做法其实差不太多。他们做法呢就是在一个胶带上面啊有个交代是吧?然后呢粘一块石墨,结果一摘不就有一些石墨痕迹,就留在这个胶带上了吗?
然后干什么呢?把这个胶带折一下,因为这一面再去占一次,那再这样一次,这石磨时候是不是有一层有一些就跑到这个上面去了,然后你再去占一次折叠粘贴节日渐渐把。
站在不停的撕撕了好多好多层,终于怎么着,终于就发现了单层的石墨啊,发现了蛋疼的始末。他发现当石墨之后呢,比如说石墨烯啊,这个世界就震惊了。因为人们认为啊这个东西以前应该是不存在,他是个二维结构,而我们生活的三维空间。
对吧,不应该存在结果,人家做出来了,对不对?那你不得不承认就是正确的啊,后来发现了之后呢,在二零一零年的时候呢,二零一零年的时候,他们两个人呢就一起获得诺贝尔奖。
就是一个丝胶带的诺贝尔奖。
我们司交代呢,只是为了拆拆快递啊,人家科学家磁胶带是为了得诺贝尔奖。那么这种结构啊它有什么样的特点?为什么造出一个材料来就可以德诺贝尔奖呢?就是因为吧首先。
它是一个二维材料。
二维材料。意思是说呀。
意思是说呀,他实际上是一个平面的,对吧?平面的结构,那么这个平面的厚度非常非常的薄啊,有多薄呢?大概是零点三五五纳米。
纳米是十的负九次方米,所以它实际上就是一个单原子层啊,这一层呢实际上是一大堆六边形,对吧?我们平常所用的这个石墨呀,其实啊都是这些石墨烯给了很多很多层,多少层呢?
比如我们如果有一毫米厚的石墨啊,一毫米厚,它其实对应了一百五十万层的石墨啊,所以我们想分离出单层的其实是很困难的,是吧?
等科学理论认为的二维材料不应该存在,是因为热的掌握会造成了破坏这个结构。但事实上呢,因为石墨烯他两个原子之间的作用力非常强,所以他不但可以存在,而且还非常稳定,具有很多的优点。那我们来看一看这个优点是什么。
石墨烯的优点有哪些啊?第一个优点啊就是它的机械强度大。
机械强度大。
不容易破坏掉啊,有多大呢?啊,比这个钢铁啊还要强两百倍是吧?所以如果以后我们用石墨烯这种材料做小汽车坐飞机的话,那小汽车和飞机的重量就可以轻很多了,对不对?
啊,这个是机械强度的。第二个呢就是拉伸性能好,我们知道啊平常我们用的材料拉伸性能好的就是金属们单身挺好的,就是金属,对吧?
但是他的拉伸性基础好要好它可以拉伸到自身长度的百分之二十。就是他沿着这个长的方向可以拉伸。那为什么呢?就是因为吧石墨烯不单层结构嘛,我这么一拉伸的话,他六边形会形变,对吧?不过没有关系,他不会破。
这就是他的拉伸性,那么拉神镜特别好,可以拉升百分之二十。第三个呢就是他的导电性能好。
导电性能好,它的导电性比我们目前所知的最好的金属银还要好。当然好的程度不是很大啊,但是他作为一种非金属材料,能够有这个这么好的导电性,那已经是非常不容易了。
那第四个呢就是导热性能好。
啊,他可以非常快的导热。
他的导热性有多好呢?呃,自然界里面金属底最好的导热性能还是颜银的导热性是最好的,但是金刚石的导热性比银还要好,二到五倍,是金刚石,为什么导热性好,咱们一会儿再说。
石墨烯呢石墨烯的导热性比云还要强十倍。所以说他应该是我们已知的导热性能最好的一个材料了,以后我们要再用导热的话,不需要用金属,用石墨烯用生活去的话。
导入导的非常快,那导热脑袋非常快。我三月三的就非常快,对不对?所以比如说以后我们手机啊或者是计算机胶散热,你用这种材料做就很好啊,所以总而言之呢他会有很多的优点,再比如说大家可以透光是吧?
啊,他还可以弯曲啊等等吧。于世界的优点。那么利用这些优点我们就可以呀用它来做一些特殊的器材,是吧?我们来看看啊,那感谢器材第一个。
你机械强度大,而且可以拉伸,你可以做什么?那很显然你可以做防弹衣啊,对不对啊?你可以做防弹衣。那这个防弹衣呢他的这个重量就要比那个现在传统的防弹衣要轻很多了,对吧?你用来做防刺服。
机械强度非常好。所以说呢你用刀刺什么都刺不破。那有一些这个我看国外的一些科普视频里面这画了这样一幅漫画,说有一个单层石墨烯,然后一根铅笔立上去,上面这头大象,那石墨烯都不会破。
当然这可能有点夸张啊,但是不得不承认,石墨烯拉伸性能是非常非常好的,而且它非常坚韧。啊。第二个呢他。
在做什么呀?可以折叠的电子设备啊,折叠的电子设备现在呢电子设备基本上不能折叠,比如手机,你不能把它给弯了,对吧?你挖了的话,那就坏掉了。
电脑也是这样,但是呢石墨烯是可以弯的,对吧?它平面结构你随便弯,所以我们就想啊,我们能那么能不能用石墨烯来做这个手机屏,然后呢这手机就是完全透明的,而且呢还可以弯折,我放在什么地方,我穿带在我这个手环上。
行了,对不对啊?再比如说以后我们在看报纸,我们报纸能不能用石墨烯来做,是吧?以后呢我们就报纸给你发过去,就是一层石墨锡,你看上面就有字儿是吧,就可以显示一些内容啊。
然后你还可以随便弯起来揣兜兜里都可以是吧?折叠手折叠的这个电子设备。第三个呢,它还可以用来做什么呢?可以用来做这个电池的添加剂电池。
现在我们所用的这个可充电电池一般是锂电池啊,是用这个磷酸锂铁来做的这个电池的这样的一个材料。那么磷酸锂铁才有它的好处啊,但是他有他有他有他的缺点,他的缺点就是磷酸锂铁这东西吧。
他电阻率比较大,所以一旦你充电的时候,电流大,他就会有很大的发热量。因此你充电时电流不能太大。有的时候我们冲手机电池要充很久啦,抽好几个小时。但是如果我们把石墨烯加进去,因为石墨是一种材料,电阻非常非常小。
所以呢我们就有很好的导电性。那你这个电池啊导电性能一点好了,你就可以用更大的电流去充电了。这样一来可能几分钟就充满了,对不对啊,华为其实就是在去年的时候宣布说,我们现在已经开始研发石墨烯电池了。
但是这个是石墨烯电池真正的投入商用可能还需要一段时间啊。总而言之呢他是一个未来的发展方向。再比如说啊我们可以用来做计算机芯片。
现在呢计算机c p u 啊,它面临的一个问题就是散热的问题。因为我们把这个计算机的这个功率可能太大,电动太密集,最后几个热量散不掉。那你这个芯片就会烧毁,对不对?
你用传统的半导体材料硅这个事儿呢就是没有办法在解决了。因为他电阻力就是比较大。现在我们如果使用石墨烯唑,莫斯馆用石墨烯来做芯片的话,导热性能非常好,散热性就很好。而且店主又比较小,对吧?
所以呢你就可以提高计算速度,可能会上百倍的提高文计算机计算速度。当然这可能还是我们的一个比较远的设想啊,目前为止我们在制作时模型这一块儿其实还具有很大的困难。
所以做芯片呢呃可能还需要几十年的时间,石墨烯还有什么作用呢?他还可以净水啊,因为石墨烯他是一个平面结构,所以呢它具有很大的面积体积比就是说它的表面积非常非常大,对吧?
体积又很小,所以这样一来呢,这个它具有很大的吸附能力。那么有一些杂志呢就可以吸附到这个石墨烯表面。同时呢我们还可以改变这个石墨烯的一些结构,使得只有水分子能够经过石墨烯其他的什么那个。
氯化钠呀这些物质都不能经过,这样一来呢我就可以用它来净化海水,对吧?哇,海水撞到石墨烯的一侧,加一个压强,让海水的这个水分子透过去,其大分子都过不去,我们就把海水淡化了嘛,对吧?
因为我们要知道啊,世界上有很多人其实是面临缺水这个这个问题的。呃,那还有一个问题呢就是呃我们可以用它来做一些生物医疗方面的。
一些工作啊,生物医疗。
啊,哪些生物医疗,比如说啊石墨烯具有很好的生物导电性,我们身体的那个各种信号源通过电来进行传导的嘛。那么假如有一个人他就有一些残疾,比如说他眼睛瞎了。
是吧那我们今天要按一个假的眼睛,我们怎么把这个假的眼睛感受到的电信号传给这个人呢?呃,科学家们认为用石墨烯做做导电材料是非常合适的。那再比如说啊这个石墨烯啊,这碳原子之间是有洞的,对吧?
所以呢如果生物的dna 分子通过了这个石墨烯的时候,那么dna 上面有四种碱基,不同的碱基经过的时候呢,对这个呃石墨的影响是墨西哥影响是不一样的。所以这样一来我通过电流的变化可以探知道你这个dna。
所以可以做dna 检测啊,科学家们还发现呢这个石墨烯啊呃对于某些细菌来讲,细菌是难以生存的,所以可以用来抗菌。总而言之,外在生物医学上可能也会有很多的作用啊。
那么这些问题呢都是一些现象。我们想问说石墨烯为什么具有这些特点?这个是我们化学中啊要研究的最重要的一个问题。那就是为什么他为什么具有这样的特点。
这个是由于他的结构决定了啊结构组成决定了。
石墨烯之所有以上的那些优势,完全是由于它的结构所决定的。为了解释这件事儿啊,我们要给大家介绍一个概念,就是电子的轨道啊,我们知道碳十六号元素呃,这个中药原子核web 六个电子在六电子是分层。
排布的其中呢最内层有两个电子,它是稳定的啊,那么外面还有四层,四个电子,这四个电子它是存在一定的轨道的。说这四个电子是怎么样去运动的呢?
啊,人们经过研究发现吧,电子这个东西呢因为他有波粒二象性,所以他不一定在什么位置。我们如果持续的观测就会发现呢,电子存在各个地方的概率不一样。我们把这概率画出来就叫电子云。
那么科学家们经过研究发现呢,就是说第二层的原子,第二层的电子轨道啊,它其实是有两种不同的电子分布情况。第一种呢就是一个球体的分布。
电子可能在这个球中的某一个位置,这种轨道呢我们就称之为s 轨道s 轨道啊,那么第二种轨道呢是说他有一个纺锤体的结构。
有可能会在这个纺锤体中的任何一个部位,这种呢就叫p 轨道。但是这个纺锤体是有方向性的,他可以是左右的,他也可以是前后的,他还可以是上下的。
所以呢他是有三个p 轨道,分别称为px py 和pz。啊,好,这样一来呢第二层的这个轨道一共只有四个轨道,s 轨道p x p y p 在一共是四个轨道。
这四个轨道里边呢,每一个轨道可以容纳最多两个电子自旋。相反的,这是根据刨力不相容原理啊,同一个轨道不能有自学也相同的电子。所以说呢一共最多可以容纳八个电子。当然看十六号元素。
这在外层只有四个电子,那么问题来了,这四个电子究竟是取哪个轨道呢?对吧?他一共有八种情况啊,一共是四个轨道,八种情况嘛,他到底是取哪个轨道呢?比如说吧我们来说一下金刚石啊。
说这个金刚石啊,你看他每一个碳原子周围都有四个碳原子,你取哪一种轨道都不可能形成这种完全对称的结构。这个时候我们怎么去解释它?
于是呢科学家们提供提出的一种设想啊,说这个像金刚石这种情况吧,他实际上呢是s 轨道和三个p 轨道发生了杂化。这四个轨道呢合到一块又均分了。
变成了四个完全相同的轨道,这种我们称之为s p 三杂化。s p 三杂化。啊,我再说一遍啊,s p 三杂化的意思就是一个s 轨道和三个p 轨道,他们混合到一块儿。
然后一起构成了四个完全相同的轨道。而这四个玩具向往的轨道是什么样子的,其实就形成了一个什么呀,形成了一个正四面体的情况。
那么我在旁边每一个地方,我再接一个碳原子。其实呢这个汤圆子也是形成了这种杂化轨道的这两个杂化轨道合到一块儿,我们称之为什么呢?称之为头碰头啊,你你这个。
你的大望轨道跟我的单位轨道碰到一块了,我们称之为头碰头头碰头啊,如果我们说的这个更加专业一点,他应该叫西格玛键,碳碳之间的西格玛键其实是非常强的,所以说就可以把金刚石牢固的结合在一块儿。
结合在一块儿啊呃金刚石是强度呢就非常非常大,因为金刚石非常坚硬,所以一旦一个原子振动起来,那这个震动很快就会传导到另外一个原则上去。所以呢金刚石的导热性能也非常好。
那么除了s p 三杂化以外,咱们再看石墨,石墨呢他一个碳原子周围并不是四个碳原子,而周围有三个碳原子,对吧?这种情况怎么解释呢?科学家们说这个呀叫s p 二杂化。
s p 二杂化的意思是说,一个s 轨道和两个p 轨道合到一块儿,然后分成三份儿啊,于是一个碳原子周围就有什么呀,就有三个碳原子了。
形成了这种结构啊,他他的结构呢是一个平面结构,每一个碳原子形成了一百二十度角的这么三个情况。那旁边另外一个碳原子也形成了一百二十度角的这种情况。于是这两碳原子不就连到一块儿了嘛,对不对?
这个也是我们刚才说的头碰头叫西格玛键,对吧?西格玛键啊这个西格马键是比较强的,所以石墨在这个方向上拉伸性能和这个坚韧度都是非常高的。
但是我们知道啊,一共有三个屁轨道。你现在给我搞了个s p 二杂化,那就还少了一个屁轨道,对不对?这个批轨道啊保留了。
也就是说呢呃这一个碳原子形成了三个s p 二杂化轨道之后呢,他还保留了一个单独的p 轨道是竖过来的,要不然这个碳原子也保留了一个单独的p 轨道。
啊,我画的这个比较远,实际上这两个p 轨道会叠到一块,跌到一块,他们两个之间其实也会有相互作用。这种相互作用我们称为肩并肩肩并肩。
啊,肩并肩这个肩并肩的相互作用。如果说的这个更加专业一点,他应该叫派件。
派件。那么这种派件会有什么特点呢?我们知道石墨的导电性能非常好,其实就是因为这个派件电子呢可以在派件之间进行跃迁,这样呢就造成电子运动的速度非常快。所以呢石墨烯有很好导电性。
有人说他石墨烯有很高导电性,那石墨导电性能为什么比石墨烯还差呢?他有很多很多层,为什么还差?这是因为把石墨它并不是一个非常好的一层一层的结构。
他实际上有的时候是这样的,前面有一个一片吧,那么再到前面这这片就这样数过来了,对吧?所以电子到了这儿之后,他就会很郁闷,对不对?你看我走的好好的被你给挡住了,再有呢。
这个垫子会在两层之间跳来跳去。如果你垫在两层,直接跳来跳去,而不是在一层往前走的话,相对来讲电阻也会大一些啊,也正因为如此,石墨烯有这样的一个分子结构。
所以才会造成它具有这样的一个特点啊,化学呢其实就是这样一门学科啊,他通过研究物质的性质与变化去推测物质的结构与组成。然后呢再通过人为设计一些结构与组成。
去获得一些新的性质来改善我们的生活。化学呢是一门非常重要的学科。

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