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石墨烯制造納米纖維并非用量越多越好

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-12-12  來源:科學中國  瀏覽次數:337

  通常情況下人們都會認為一種東西很好,用的越多就會越好,因此研究人員試圖利用大量的石墨烯制成一種結構復合材料。但是經過內布拉斯加林肯大學的合作研究后發現,在用石墨烯制造納米纖維時,似乎用量越少效果越好。
 
  內布拉斯加林肯大學的內布拉斯加中心成員,機械和材料工程教授Yuri Dzenis McBroom帶領此次研究小組進行研究,他發現將少量的石墨烯氧化物作為模板會提高碳納米材料的性能,因此同樣也會提高復合材料的性能。這種材料使用范圍廣泛,用于制造超輕飛機、自行車或高爾夫球桿。
 
  石墨烯是一種僅有一原子厚碳層的晶體結構,因此質地非常堅韌、耐熱,并且具有導電性。石墨烯研究主題曾在2010年獲得諾貝爾物理學獎。
 
  內布拉斯加林肯大學的工程師和西北大學以及圖森材料和電化學研究集團的研究人員聯合進行該項研究。內布拉斯加林肯大學的研究小組發明了一種將石墨烯氧化物納米顆粒作為模板引導碳納米纖維的形成和方向的方法,利用該方法可提高納米纖維的性能。利用這種制作納米纖維時需要將石墨烯扭曲,就像將一張紙扭曲一樣。但是在制作過程中僅需要使用很少量的石墨烯納米顆粒。
 
  Dzenis說:“很多人試圖在纖維中使用盡可能多的石墨烯,但是卻導致納米纖維很難形成。因此我們打破常規,只是用了很少量的石墨烯。”
 
  試驗生成的碳納米纖維結構跟預想的纖維很類似,不僅強度有所增加,而且其他性能也有所提高。目前Dzenis和同事正在對石墨烯基納米纖維增強的性能進行測試,也將繼續對技術進行改善。
 
  Dzenis表示這種制造碳納米纖維的方法非常有前景,由于生產過程僅需要少量的納米顆粒,因此將大大降低生產負荷材料的成本,要知道納米顆粒的價格不菲。
 
  利用內布拉斯加林肯大學發明的納米纖維制造法生產的碳納米纖維不僅性能過硬,而且價格便宜。該研究小組在《先進功能材料》上發表了研究發現。
 
  新型碳納米纖維 扭曲能力可提高千倍
 
  由美國得克薩斯大學、澳大利亞臥龍崗大學、加拿大不列顛哥倫比亞大學和韓國漢陽大學的研究人員組成的國際研究小組宣布,他們用碳納米管制造出新型螺旋紗纖維,其扭曲能力比過去已知的材料高1000倍,可利用其制造出比頭發絲還細小的微電機。該研究成果發表在近期出版的《科學》雜志上。
 
  碳納米管與金剛石、石墨烯、富勒烯一樣,是碳的一種同素異形體。它具有典型的層狀中空結構特征,管身由六邊形碳環微結構單元組成。在此項研究中,研究人員首先生產出高400微米、寬12納米的碳納米管細微結構“森林”,然后將其紡成類似繩索結構的螺旋紗。在紡紗時,可將碳納米管紗制成左手螺旋和右手螺旋兩種類型。
 
  由于碳納米管紗具有良好的導電性,研究人員將制成的碳納米管紗與電極相連,并將其沉浸在離子導電液體中。碳納米管紗開始進行扭轉旋轉。它首先向一個方向旋轉,當達到一定的限度,改變電壓后,再向反方向旋轉。左手螺旋紗和右手螺旋紗的旋轉方向正好相反。
 
  研究人員表示,碳納米管紗的扭轉旋轉機制就像超級電容器充電,離子遷移到紗線,充電電荷注入到碳納米管,形成靜電平衡。由于碳納米管紗為多孔結構,離子涌入將導致紗線膨脹,長度可縮短一個百分點。
 
  研究人員在碳納米管紗上附著了一個槳葉,結果表明,新型碳納米管紗以590轉/分鐘的速度進行旋轉時,可以旋轉比自身重2000倍的槳葉。每毫米碳納米管紗在250轉/分鐘時,其扭曲能力超過鐵電體人工肌肉、形狀記憶合金人工肌肉及有機聚合物人工肌肉1000倍。輸出功率可媲美大型電機。
 
  研究人員已設計了一個簡單的設備,用于在微流體芯片上混合兩種液體。由一個15微米碳納米管紗構成的流體混合器,可旋轉比自身寬200倍、比自身重80倍的槳葉。
 
  傳統電機的結構非常復雜,微型化十分困難。但利用這種碳納米管紗卻能很容易在毫米級水平構建電機。英國萊斯大學化學和計算機科學系的詹姆斯教授認為該工作非常了不起。他表示,具有如此大扭矩的纖維十分迷人,如果將其應用在機械工程中,將起到其他任何材料無法替代的效果。
 
  研究人員表示,這種碳納米管紗可以開辟許多新用途。它可以用于制造微型電機、微型壓縮機和微型渦輪機;基于旋轉執行器的微型泵可以集成到芯片實驗室技術制造的設備上;還可以將其應用于機器人、假肢及各種傳感器上。
 
  未來材料寵兒石墨烯:超輕飛機、太空電梯變可能
 
  想在一秒鐘內下載一部高清電影嗎?石墨烯調制器的問世或許能讓這個愿望得以實現。
 
  美國華裔科學家張翔教授的研究團隊用石墨烯研制出一款調制器,這個只有頭發絲四百分之一細的光學調制器具備的高速信號傳輸能力,有望將互聯網傳輸速度提高一萬倍。
 
  石墨烯無疑是過去十年,乃至未來幾十年,所有材料“明星”中最耀眼的一顆。
 
  雖然發現至今尚不足十年,石墨烯卻不斷在科學界、產業界引發一輪輪波瀾。隨著人們對它的認識逐漸明晰,其神秘面紗就像發現之初那樣被一層層揭開——薄且堅硬,透光度好,導熱性強,導電率高,結構穩定,電子遷移速度快,能在常溫下觀察到量子霍爾效應……
 
  從假設到現實
 
  石墨烯的發現,之所以意義重大,是因為它創造了諸多“紀錄”
 
  石墨烯是構成石墨、木炭、碳納米管和富勒烯等碳同素異形體的基本單元材料,是一種二維晶體。
 
  石墨烯的結構一直被認為只存在于理論之中,無法單獨穩定存在。直至2004年,英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出石墨烯,才證實它可以單獨存在。
 
  最初,科學家從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。通過反復的操作,石墨片變得越來越薄。最后,他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。
 
  憑借“在二維石墨烯材料的開創性實驗”,這兩位科學家共同獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。
 
  石墨烯的發現,之所以意義重大,是因為它創造了諸多“紀錄”。
 
  石墨烯是世上最薄的材料。
 
  “石墨烯只有0.34納米厚,十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發絲的直徑,人們用肉眼是看不見它的。”中科院重慶研究院微納制造與系統集成研究中心副主任史浩飛接受《中國科學報》記者采訪時如此描述。
 
  石墨烯是人類已知強度最高的物質。
 
  它比鉆石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。
 
  哥倫比亞大學的物理學家用金剛石制成的探針測試石墨烯的承受能力,在被實驗的石墨烯樣品微粒開始碎裂前,它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達到了2.9微牛左右。這意味著,“如果用石墨烯制成包裝袋,那么它將能承受大約兩噸重的物品”。
 
  石墨烯電阻率極低,電子遷移的速度極快。
 
  在石墨烯中,電子能夠極為高效地遷移,遷移速率僅為光速的三百分之一,遠遠高出其在硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。
 
  “電子在石墨烯里邊好像沒有質量一樣,運動速度非???。”中國科學技術大學教授曾長淦在接受《中國科學報》采訪時表示,“電子能量不會被損耗的特點,使這種材料具有了非比尋常的優良特性。”
 
  它的另一特性讓材料學家更為驚喜,該材料幾乎完全透光,透光率在97%以上。
 
  2012年,美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路,使得石墨烯特殊的電學性能彰顯出應用前景。中科院院士高鴻鈞對此表示:“石墨烯材料具有優異的電學性質,有望被用于制造新一代高性能電子學器件。”
 
 
關鍵詞: 石墨烯 納米纖維
 
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