石墨烯应用多元 将掀动多产业的革新

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医疗的下一次革命也许就靠石墨烯了

两位英国物理学家通过一种简单的方法从石墨中分离出单层石墨,即石墨烯,并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由二维单层碳原子组成的六角晶格物质,是世界上最薄、最好的导电和导热材料,是人类已知强度最高的物质,具备极高的透光性和柔韧性。正因为这些优异的性能使之赢得了“最完美材料”的美誉,许多人还认为21世纪将成为“石墨烯时代”。

石墨烯是一种研究性极强的多用途物质,可能给我们生活的方方面面带来革命:如用来生产防水膜以解决全球水资源短缺问题;取代当前电子产品中的硅,以更小的体积提供更强的性能;开发下一代能源解决方案,如太阳能电池或几分钟即可充满的手机电池。此外,石墨烯还可应用于生物医疗领域,如药物传送、癌症治疗和生物传感等,目前研究人员已经在进行相关研究。石墨烯拥有许多独特的属性,如更大的表面积、生物适应性和化学稳定性,这使得石墨烯具有极大的研究潜力,并被给予厚望。

 

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人工植入设备是当前医疗市场的一个主旋律,将来石墨烯可能在这些设备中扮演极其重要的角色。石墨烯的生物适应性和机械强度可用于制作各种复合生物材料;其导电性可用于需要该属性的器官,如神经组织和脊髓元素。例如,密歇根理工大学研究人员将石墨烯引入3D打印神经组织已取得进展。该团队开发出一种高分子材料来培养组织,利用石墨烯作为导电体。

生物传感是一项正在快速发展的新技术,有潜力应用到许多医疗应用领域,而石墨烯在检测食品毒素、环境污染、特定病菌和细菌等方面拥有独特的优势。例如,将石墨烯氧化物附着在特定毒素的类似于蛋白质的结构上可产生一个增强信号,以便高敏感传感器检测到毒素,其检测能力相当于普通传感器的10倍。此外,在利用传感器预测心脏病发作方面,石墨烯氧化物还能检测到血液中的特定微粒子,而这些微粒子是在心脏病发作前释放的。当前,基于石墨烯的类似传感器已在研发之中,主要用于检测多种疾病、毒素和生物标记。

石墨烯还拥有极大的潜力来检测和治疗癌症。在检测方面,中国的科学家们已经开发出了基于石墨烯场效晶体管的单细胞传感器,甚至能检测出单一癌细胞。而英国曼彻斯特大学研究人员发现,石墨烯氧化物可作为一种抗癌药剂来对抗特定癌细胞。配合当前的疗法,可能使肿瘤收缩,遏制癌症发展速度,以及治疗后的复发。

石墨烯还被广泛研究用于癌症药物的传送,这主要得益于其较大的表面积允许将大量药物传送至体内的特定区域。除了用于癌症检测和药物传送,石墨烯本身也被研究作为一种抗癌药剂。例如,利用其热传导特性将非电离的无线电波转换成热能,杀死癌细胞内的蛋白质和DNA。

当前DNA测序的重要性日益凸显,它不仅能对人类构成有更深入地了解,还能进一步了解遗传性疾病、癌症类型和人体免疫系统。而基于石墨烯的DNA测序通常需要创建一个石墨烯薄膜,将其浸入导电流体中,在一端加电让DNA分子经过石墨烯的小孔,从而让科学家读取DNA序列。该技术被称为“纳米孔DNA测序”,其特点是读取快,测序成本低。

纳米医学目前尚处于初期发展阶段,同样石墨烯在医疗市场的应用也处于早期发展阶段。但它有潜力进入许多医疗领域,并带来革命性变化。现在我们要做的是鼓励更多的研发项目,以确保将来出现更有效、更持久的预防和治疗方法。

石墨烯可望掀移动产业的革新

科学家和产业专家认为,石墨烯具颠覆整个移动市场的潜能,应用多元。未来可望出现可弯曲、透明的电脑屏幕,用低成本石墨烯薄膜淡化海水,制造低成本、高效能太阳能板,或研发出数分钟内充饱电的高效能轻薄电池等。不过专家也提醒,石墨烯技术仍在初步研发阶段,许多相关技术还不能商业化量产使用。

石墨烯专家Roni Peleg指出,石墨烯(graphene)是蜂窝晶格的二维(2D)碳原子,厚度仅1个碳原子,硬度却是钢铁的200倍,导电性也是矽的100倍,是目前所知最佳导电和导热材料,且具卓越光学属性。

石墨烯目前价位偏高,不过生产技术改进后,未来预计生产成本可降低,因其原料是自然界中广泛存在的碳原子。

石墨烯未来可望大幅应用至移动设备。高效能的石墨烯电池可在几分钟内充饱电,并比传统锂离子电池更持久。此外,石墨烯也可用于制作移动设备的复合体材料,降低设备体积并减轻其重量,又能用于制造有弹性、透明的触控式屏幕,甚至做出超越矽芯片速度的极小芯片。

石墨烯亦可望掀起电池产业革命。2015年稍早,美国科技公司XG Sciences展示新一代矽石墨烯阳极材料制成的锂离子电池。这款新型电池的电容量是一般电池的4倍,第一次循环效能可达85~90%,且电池寿命是上一代电池的2倍。

诺基亚(Nokia)也投入石墨烯电池研究,其专利自动充电石墨烯基光子电池,可印刷在软性基板(flexible substrates)上,而且在放电后,能立即用湿空气自动充电。美国Graphene 3D Lab甚至提出3D列印石墨烯电池的概念,可根据移动设备外型客制化电池的外观与大小。不过,石墨烯电池仍在实验开发阶段,保守估计至少2年内不会量产上 市。

西班牙Graphenea公司研究发现,于氧化铝陶瓷加入石墨烯,可减少断裂机率50%,提升导电性 至1亿倍。Graphenea认为,此方法也可应用在碳化矽(silicon carbide)、氮化矽(silicon nitride)、二氧化钛(titania)、以及二氧化锆(zirconia)等材质上。

明尼苏达大 学(University of Minnesota)与夏威夷公司Adama Materials共同研究出一种耐久的石墨烯塑胶聚合物,研究者表示,在塑胶内加入微量石墨烯,便可增强塑胶硬度2.5倍。目前在运动用品中已可见到石 墨烯材质应用,像是轻薄却硬度高的滑雪器具、脚踏车轮胎、安全帽等等,Peleg认为,石墨烯技术应用于移动设备材质只是迟早的事情。

此外,目前市面上触控式屏幕多采铟锡氧化物(ITO)为主的透明导电体技术。不过,ITO不适用于弹性显示介面且价格昂贵,而石墨烯便是目前最有潜力的应用技术。

相较于银材质,石墨烯的光学特质更适合显示技术。大陆辉锐科技正在研发石墨烯触控式变形屏幕,用于移动设备。辉锐科技表示,石墨烯比ITO更便宜、更强韧,公司预计未来3年将投资1.5亿美元发展此技术。

大陆重庆墨希科技,也正打造15吋单层石墨烯薄膜的生产线,预计很快进入量产阶段,目前也和东莞正扬电子机械有限公司签约,计划未来5年每年将生产1,000万个石墨烯透明导电膜(transparent conducting films;TCF),作为移动设备的触控式屏幕材料。

Peleg指出,石墨烯有潜力取代矽,成为下一代芯片与电子产品的原料。石墨烯体积微小且具极佳导电性,石墨烯芯片的处理速度较矽芯片快上许多,且效能更佳。

不过,石墨烯芯片技术目前仍在起步阶段,距量产仍有一段距离。英特尔正着手石墨烯电晶体,而报告指出离技术成熟阶段仍有多年。IBM则预计在接下来5年,投注30亿美元研发下一代芯片,希望找到取代矽材质的技术解决方案。

石墨烯墨水打印出射频天线

英国曼彻斯特大学研究人员与石墨烯生产商BGT材料有限公司合作,用压缩石墨烯墨水打印出射频天线。这种天线灵活、环保,可廉价大批量生产,能够应用在无线射频识别(RFID)标签和无线传感器上。

科学家将石墨烯材料的应用又向前推进了一大步。英国曼彻斯特大学研究人员与石墨烯生产商BGT材料有限公司合作,用压缩石墨烯墨水打印出射频天线。这种天线灵活、环保,可廉价大批量生产,能够应用在无线射频识别(RFID)标签和无线传感器上,该成果发表在最近一期《应用物理快报》上。 自从2004年石墨烯第一次被分离出来,其神奇的性能一直被广泛深入地研究。

成本低廉可使RFID标签随处可用

第一个商业石墨烯产品是导电油墨,可以用于印刷电路和其他电子元器件。石墨烯油墨成本低且很柔软,比其他如纳米金属粒子导电油墨的性能还要强大很多。

为了让石墨烯片层更好地溶于墨水,有时候会在其中添加黏结剂帮助墨水凝固。这种石墨烯墨水必须经过高温退火才能达到使用目的,然而退火过程会破坏打印石墨烯的材料——纸张或塑料表面。

 

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据物理学家组织网5月20日报道,研究人员发现了一个不需黏合剂就可增加石墨烯墨水导电性的方法。他们首先进行打印,然后干燥墨水,接下来用滚筒压制,就像用压路机反复碾压新铺的路面那样。

实验结果显示,压缩墨水的导电率提高了50倍,石墨烯层压板也比以往掺了黏合剂的石墨烯墨水导电快两倍。研究人员称:“高导电性让无线射频辐射更有效率,这是试验中最令人兴奋的方面。”在纸和塑料等廉价灵活的材料上印刷电子技术,意味着RFID标签等无线技术更加无处不在,从一头牛到一个汽车零件,随处都可应用。

目前,大多数商用RFID标签由金属铝和铜组成,材料昂贵、制作过程复杂,而基于石墨烯的RFID标签能够大幅度降低材料成本。该研究团队已经开始计划开发石墨烯RFID标签,以及传感器和可穿戴电子产品了。