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石墨是黑的,而石墨烯卻是透明的,為什么?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1000次  |  2019年06月17日  

石墨和石墨烯,僅有一字之差,在形態(tài)和性能上卻大不一樣。

石墨與石墨烯的關(guān)系

實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界,只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。


2004年,英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃消洛夫(KonstantinNovoselov)發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作,于是薄片越來越薄,最后,他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片,這就是石墨烯。2009年,安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng),他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯為什么是透明的?

對(duì)于石墨烯,科學(xué)界冠以的概念為:由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的單層二維材料。它之所以透明,是因?yàn)樗暮穸龋且栽訛閱挝挥?jì)量的。單層的石墨烯僅有1個(gè)碳原子的厚度,即0.34納米,相當(dāng)于人類一根頭發(fā)直徑的20萬分之一。

這么薄一點(diǎn),肉眼能看見才怪了!

石墨和石墨烯的不同之處

首先,石墨和石墨烯都是碳原子組成的物質(zhì)。石墨的微觀結(jié)構(gòu)就是一層一層的石墨分子像書頁一樣堆疊而成,是三維的物質(zhì)。石墨烯則是碳原子呈單層排列的二維物質(zhì)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)認(rèn)定:當(dāng)層數(shù)少于或等于十層時(shí),可以稱之為石墨烯,否則,就應(yīng)該叫做石墨。

而單層的石墨分子就是石墨烯了,因?yàn)閱螌邮肿雍穸炔坏揭粋€(gè)納米,可看做二維物質(zhì)。所以,石墨烯和石墨最大的區(qū)別,在于維度的不同。石墨烯是構(gòu)成其他碳同素異形體的基本單元,它可折疊成富勒烯(零維),卷曲成碳納米管(一維),堆垛成石墨(三維)

第二,同為碳元素組成的物質(zhì),石墨烯之所以表現(xiàn)出許多石墨不具有的性質(zhì),是因?yàn)槭械膯螌邮肿由舷卤砻娑寂c碳原子組成連接成鍵,而石墨烯上下表面都暴露在空氣中,所以其電子傳輸特性以及力學(xué)性質(zhì)等會(huì)受到很大影響。石墨烯被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。石墨烯的另一特性是,其導(dǎo)電電子不僅能在晶格中無障礙地移動(dòng),而且速度極快,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度。還有,其導(dǎo)熱性超過現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。

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