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石墨烯的未来

  • 科技
  • 2020-01-14 11:14:15

自2003年发现以来,石墨烯无疑让每个人都对未来感到兴奋。

安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)对石墨烯的研究引发了一场研究热潮,并为他们赢得了诺贝尔奖。

石墨烯暗示了一个超越硅的电子世界,摆脱了摩尔定律的束缚,并传播了关于室温量子现象的诱人谣言。既然我们已经对它的潜力有了一定的了解,那么在未来10年,我们能从这种神奇的材料中期待什么呢?

剑桥大学纳米材料和光谱学小组的负责人安德里亚·法拉利博士可能是最有资格进行推测的人之一。他负责为一个材料科学研究项目争取10亿欧元的欧盟资金,与欧洲核子研究中心(Cern)竞争。

法拉利以一种谨慎的语气开始了我们的谈话。尽管石墨烯对电子工业大有希望,但离实际应用还有很长的路要走,尽管IBM最近取得了一些突破。即便如此,这种材料的应用范围也是惊人的。

在你拥有石墨烯CPU之前,你将拥有石墨烯触摸屏,法拉利说。

“石墨烯具有独特的光学、电学和机械性能。它是透明的导体,但不脆。没有别的办法做到这一点。所以这就是石墨烯最接近应用的地方。”他说。他强调三星和德州仪器是两家离商业化生产特别遥远的公司。

正如我们之前发现的,石墨烯没有带隙。虽然一个小的间隙可以相对容易地诱导出来,但这对于作为逻辑开关的晶体管来说还远远不够。

剑桥大学的安德里亚·法拉利博士正在为一个材料科学研究项目申请欧盟资助。图片来源:剑桥大学

法拉利对英国ZDNet表示:“我们非常期待这一点。”“或许10到20年后,石墨烯将取代硅在这些晶体管中的地位。”他说,目前,在石墨烯中诱导可操作的带隙所需的操作方式,会使其其他特性变得不那么显著。他补充道:“当你应该集中精力开发它所能做的事情时,拥有如此特殊的材料,却试图强迫它成为别的东西,这是愚蠢的。”

例如,尝试自旋传输。法拉利渴望在这个领域看到更多的研究。石墨烯具有很长的自旋扩散长度,即使在室温下也是如此,这使得它成为一个有趣的自旋电子学候选材料。“再说一遍,这不需要带隙,所以我们不会让石墨烯表现得像其他东西,”他说。

法拉利也希望能获得资金来开发石墨烯传感器。“我们可以让它变得又平又大,它是平面的,所以至少有一个面,也可能有两个面可以暴露在环境中。它可以作为一个应变传感器-当你拉它,它的电学和光学性质改变,”他说。潜在地,这可以被合并到一个结构中;例如,我们可以有自我监测的飞机机翼,让飞行员知道他们的应变状态。

石墨烯在DNA测序方面也有巨大的潜力。想象一下,一层石墨烯上有一个小缺口,大到足以让一条DNA链通过,就像穿衣服的线一样。当DNA穿过石墨烯薄片时,暴露在每个碱基对下,石墨烯的电学性质会发生变化。因为它是2D的,它可以一次“读取”一个基底,这使得它比现在使用的任何东西都要精确得多。

它的透明度和缺少带隙也使它成为太阳能电池的理想材料。“你可以更换接口和内部来改善入射光产生的电子。电子的线性分散意味着石墨烯可以吸收太阳光谱中所有的光,而硅只能吸收特定频率的光。

最后,石墨烯可以作为一种成分发挥作用。“石墨烯的所有化学衍生物都是有用的,”法拉利补充道。“氟石墨烯、氧化石墨烯、氢化石墨烯……你可以溶解石墨烯,其溶液可能应用于可打印的电子产品。你现在能放下的东西已经比目前的水平好10倍了。”

让我们不要忘记石墨烯在法拉利项目的主要IT重点之外也有应用。目前,石油工业正在使用它作为钻井液的添加剂。

所以问题不在于石墨烯会影响什么,而在于它不会影响什么。我们怀疑这个名单要短得多。

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