石墨烯是什么

近年来，我们经常听到石墨烯这个词，经常看到各种媒体发表各种研究进展，听到关于它如何改变我们生活的报道。那么，石墨烯是什么，它真的有这么强大吗？它在科学界是如何发挥作用的，现在能商业化使用吗？那么让我们来认识一下科学界的明星——石墨烯
什么是石墨烯？
我们都知道碳是什么。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期组iva 。拉丁文为carbonium，意为“煤、木炭” 。碳是一种非常常见的元素，以各种形式广泛存在于大气、地壳和生物体内。也许你知道石墨是什么，但石墨烯不知道。其实石墨烯是由碳构成的，只是结构不同于普通的碳。就像我们熟知的钻石，其实是一种碳，只是碳原子的空间结构不同。
金刚石中的碳原子结构
石墨烯与石墨分离，是一种具有单原子层的二维碳纳米材料。各层碳原子以共价键连接，呈现蜂窝状点阵结构。石墨是一种常见的矿物，由多层碳原子组成，具有层状结构。这些层可以相互剥离。所以石墨可以用来做铅笔，写字的时候会留下写字的痕迹。石墨对我们来说是一种非常常见的物质。石墨烯是纳米尺寸的单层二维结构。
石墨矿物
石墨的层状原子结构
石墨烯的结构如下图所示，碳原子以六元环的形式排列在同一平面。碳原子以键的形式相互连接，每个碳原子会形成三个键，使得石墨烯具有良好的力学性能。碳原子周围剩余的价电子将形成垂直于碳平面的共轭大键，从而电子可在石墨烯平面间自由移动,效应也保证了石墨烯优异的导电性。石墨烯中的长程共轭键使其具有良好的热力学性能,机械性能和导电性能.性质
石墨烯的原子结构
大键的形成
2004年，科学杂志报道曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫成功分离出稳定的石墨烯，并讨论了石墨烯材料的基本性质。长期以来，人们一直认为单原子层的二维物质是不稳定的，在自然界是不可能获得的。直到2004年，novoselov等人使用非常简单的胶带剥离法将石墨剥离成单层石墨烯，开启了石墨烯等二维纳米材料的新时代。他们对石墨烯的研究获得了2010年诺物理学奖，在范围内引起轰动，推动了石墨烯材料的研究，推动了石墨烯在物理、化学、材料、生物医学和环境方面的研究。新的商业化石墨烯产品也正在出现。许多政*已经将石墨烯材料列为国家重点发展对象，对石墨烯材料的投资也在不断增加。近年来，关于石墨烯的研究报告呈指数级增长，许多问题和困惑层出不穷。
石墨烯有何优异的性能
1.导电性
【石墨烯是什么】石墨烯结构非常稳定，到目前为止，研究人员还没有发现石墨烯中缺少碳原子。石墨烯中碳原子之间的连接非常灵活。当外加机械力时，碳原子平面弯曲变形，不需要重新排列碳原子来适应外力，结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道上运动时，不会因为晶格缺陷或者外界源的引入而发生散射。因为原子间作用力很强，即使室温下周围碳原子发生碰撞，石墨烯中电子的干扰也很小。石墨烯比较大的特点是电子的运动速度达到光速的1/300，远远超过一般导体中电子的运动速度。这使得石墨烯中电子的性质，或者更准确地说是“载流子”，非常类似于相对论中微子。
2.机械特性
石墨烯是人类已知的强度比较高的材料，比金刚石还硬，比上比较好的钢还要强100倍。并且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达到1.0tpa，固有拉伸强度为130gpa 。氢等离子体改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量为0.25tpa，但其断裂强度未见报道。此外，目前人们已经组装成一种纸状材料。该材料的平均弹性模量和比较大断裂强度分别达到32兆帕和120兆帕。