Recopilación detallada de datos de grafeno (material de carbono bidimensional)
El grafeno tiene excelentes propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas y tiene importantes perspectivas de aplicación en los campos de la ciencia de materiales, el micronanoprocesamiento, la energía, la biomedicina y la administración de fármacos. Se considera un material revolucionario en el futuro. . Los físicos Andre Gehm y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester en el Reino Unido separaron con éxito el grafeno del grafito mediante exfoliación micromecánica, recibiendo así * * * el Premio Nobel de Física de 2010. Los métodos comúnmente utilizados para la producción de polvo de grafeno incluyen la exfoliación mecánica, el crecimiento epitaxial redox y SiC, y los métodos de producción de películas delgadas incluyen la deposición química de vapor (CVD).
2065438+El 31 de marzo de 2008, comenzó la construcción de la primera línea de producción totalmente automática de China para dispositivos solares fotovoltaicos orgánicos de grafeno en Heze, Shandong.
Introducción básica Nombre chino: Grafeno Nombre en inglés: Grafeno Campos de aplicación: física, materiales, información electrónica, computadoras, etc. Movilidad del portador: 15000 cm2/(V·s) (temperatura ambiente) Conductividad térmica: 5300W/mK (una sola capa) Módulo de Young teórico: 1,0TPa Historia de la investigación, propiedades físicas y químicas, propiedades físicas, propiedades químicas, métodos de preparación, principales clasificaciones , grafeno monocapa, grafeno bicapa, grafeno pocas capas, grafeno multicapa, principales aplicaciones, perspectivas de desarrollo e historial de investigación. De hecho, el grafeno ya existe en la naturaleza, pero su estructura monocapa es difícil de desprender. El grafeno se apila capa por capa para formar grafito, y un grafito con un espesor de 1 mm contiene alrededor de 3 millones de capas de grafeno. Un lápiz raya ligeramente el papel, dejando huellas de varias capas o incluso de una sola capa de grafeno. En 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos científicos de la Universidad de Manchester, descubrieron que podían hacer que las escamas de grafito fueran cada vez más finas de una forma muy sencilla. Quitaron láminas de grafito de grafito pirolítico altamente orientado, luego pegaron ambos lados de las láminas en una cinta especial y luego retiraron la cinta para dividir las láminas de grafito en dos. A medida que esto continúa, las láminas se vuelven cada vez más delgadas. Al final consiguieron una fina lámina compuesta por una sola capa de átomos de carbono, que es el grafeno. Desde entonces, han ido surgiendo uno tras otro nuevos métodos para preparar grafeno. En 2009, Andre Geim y Konstantin Novoselov descubrieron el efecto Hall cuántico entero y el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente en sistemas de grafeno de una y dos capas, respectivamente, y obtuvieron el Premio Nobel de Física en 2010. Antes del descubrimiento del grafeno, la mayoría de los físicos creían que las fluctuaciones termodinámicas no permitirían que existiera ningún cristal bidimensional a temperaturas finitas. Por lo tanto, su descubrimiento conmocionó inmediatamente a la comunidad de física de la materia condensada. Aunque tanto los círculos teóricos como los experimentales creen que una estructura bidimensional perfecta no puede existir de manera estable en un cero no absoluto, se puede preparar grafeno de una sola capa en experimentos. El 31 de marzo de 2065, comenzó la construcción de la primera línea de producción totalmente automática de China para dispositivos solares fotovoltaicos orgánicos de grafeno en Heze, Shandong. Este proyecto produce principalmente células solares orgánicas de grafeno (en lo sucesivo denominadas OPV de grafeno) que pueden generar electricidad con poca luz, resolviendo los tres principales problemas de generación de energía solar: aplicación limitada, sensibilidad a los ángulos y dificultad en el modelado. 2065438+El 27 de junio de 2008, la Alianza Estratégica de Innovación Tecnológica de la Industria del Grafeno de China publicó el estándar de grupo recientemente formulado "Guía de denominación de productos de materiales de grafeno". Esta norma especifica el método de denominación de nuevos productos relacionados con materiales de grafeno. Propiedades físicas y químicas Propiedades físicas Estructura interna La disposición de los átomos de carbono en el grafeno es la misma que la de una sola capa atómica de grafito, con las siguientes características: El átomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia, tres de los cuales generan enlaces sp 2, que es decir, cada átomo de carbono contribuye al orbital pz. Un electrón no enlazado, el orbital pz del átomo adyacente es perpendicular al plano para formar un enlace π, y el enlace π recién formado está en un estado medio lleno. Se confirma que el número de coordinación de los átomos de carbono en el grafeno es 3, la longitud del enlace entre cada dos átomos de carbono adyacentes es 1,42 × 10 -10 metros y el ángulo entre los enlaces es 120. Además del enlace σ que se conecta con otros átomos de carbono para formar una estructura en capas de anillos hexagonales en forma de panal, el orbital pz de cada átomo de carbono perpendicular al plano de la capa puede formar un enlace π grande de átomos poliatómicos (similar a un anillo de benceno) en todas partes. toda la capa, por lo que tiene una excelente conductividad eléctrica y propiedades ópticas. Diagrama de estructura de grafeno Diagrama de estructura de grafeno de una sola capa Propiedades mecánicas El grafeno es uno de los materiales más resistentes que se conocen. También tiene buena tenacidad y puede doblarse. El grafeno tiene un módulo de Young teórico de 1,0 kpa y una resistencia a la tracción inherente de 130 GPa.
El grafeno reducido modificado por plasma de hidrógeno también tiene muy buena resistencia y el módulo promedio puede alcanzar 0,25 TPa. El papel de grafito compuesto de láminas de grafeno tiene muchos agujeros, por lo que es muy frágil. El grafeno funcionalizado se obtiene mediante oxidación, y luego el papel de grafito elaborado a partir de grafeno funcionalizado será extremadamente fuerte y resistente. La movilidad del portador del grafeno de efecto electrónico a temperatura ambiente es de aproximadamente 15.000 cm2/(v·s), que es más de 10 veces la del material de silicio y más del doble que la del antimonuro de indio (InSb), que tiene la mayor movilidad del portador. . En determinadas condiciones, como las bajas temperaturas, la movilidad del portador del grafeno puede llegar incluso a 250.000 cm2/(v·s). A diferencia de muchos materiales, la movilidad de los electrones del grafeno se ve menos afectada por los cambios de temperatura. A cualquier temperatura entre 50 y 500 K, la movilidad electrónica de una sola capa de grafeno es de aproximadamente 15.000 cm2/(v·s). El grafeno está compuesto de fullereno, nanotubos de carbono y grafito. Además, el efecto Hall cuántico semientero de los portadores de electrones y de los portadores de huecos en el grafeno se puede observar cambiando el potencial químico bajo la acción de un campo eléctrico. Los científicos observaron este efecto Hall cuántico del grafeno a temperatura ambiente. Los portadores del grafeno siguen un efecto de túnel cuántico especial y no se retrodispersan cuando encuentran impurezas. Esta es la razón por la que el grafeno tiene superconductividad local y una alta movilidad de los portadores. Los electrones y fotones del grafeno no tienen masa en reposo y su velocidad es una constante independiente de la energía cinética. El grafeno es un semiconductor de distancia cero porque sus bandas de conducción y valencia se cruzan en el punto de Dirac. En las seis posiciones del punto de Dirac, la zona de Brillouin en el borde del espacio de momento se divide en dos conjuntos de triples equivalentes. Por el contrario, el punto principal de los semiconductores convencionales suele ser γ, con impulso cero. Propiedades térmicas El grafeno tiene muy buena conductividad térmica. La conductividad térmica del grafeno puro de una sola capa y libre de defectos alcanza los 5300 W/mK, que es la conductividad térmica más alta de los materiales de carbono hasta la fecha, superior a la de los nanotubos de carbono de pared simple (3500 W/mK) y los nanotubos de carbono de paredes múltiples. (3000W/mK). Cuando se utiliza como portador, la conductividad térmica también puede alcanzar 600 W/MK. Además, la conductividad térmica balística del grafeno puede reducir el límite inferior de la conductividad térmica balística de los nanotubos de carbono por unidad de circunferencia y longitud. Conductividad térmica Valores experimentales Resistencia y coeficiente de temperatura Propiedades ópticas El grafeno tiene muy buenas propiedades ópticas, con una tasa de absorción de aproximadamente el 2,3% en un amplio rango de longitudes de onda y parece ser casi transparente. Dentro del rango de espesor de varias capas de grafeno, la tasa de absorción aumenta un 2,3% a medida que aumenta el espesor de cada capa. Las películas de grafeno de gran superficie también tienen excelentes propiedades ópticas, y sus propiedades ópticas cambian con los cambios en el espesor del grafeno. Esta es la inusual estructura electrónica de baja energía del grafeno de una sola capa. A temperatura ambiente, la banda prohibida del grafeno se puede ajustar de 0 a 0,25 eV aplicando voltaje al transistor de efecto de campo de grafeno de doble puerta y doble capa. Cuando se aplica un campo magnético, los ecos ópticos de las nanocintas de grafeno se pueden sintonizar en el rango de los terahercios. Cuando la intensidad de la luz incidente excede un cierto valor crítico, la absorción de grafeno alcanzará la saturación. Estas propiedades permiten que el grafeno se utilice como láser de modo pasivo bloqueado. Esta absorción única puede saturarse cuando la intensidad de la luz de entrada excede un umbral, lo que se conoce como efecto de saturación. El grafeno puede saturarse y excitarse fácilmente en la región del infrarrojo cercano debido a la absorción global de luz y la banda prohibida cero. Debido a esta propiedad especial, el grafeno se utiliza ampliamente en fotónica ultrarrápida. La reflexión óptica de las capas de grafeno/óxido de grafeno puede sintonizar la electricidad. Bajo una irradiación láser más fuerte, el grafeno puede tener un efecto Kerr óptico no lineal con un cambio de fase no lineal. Solubilidad: muestra buena solubilidad en disolventes no polares y tiene superhidrofobicidad y superlipofilicidad. Punto de fusión: en un estudio de 2015, los científicos dijeron que era alrededor de 4125 K, y otros estudios dijeron que el punto de fusión podría ser alrededor de 5000 K. Otras características: Capacidad de adsorber y desorber diversos átomos y moléculas. Propiedades químicas El grafeno tiene propiedades químicas similares al grafito y puede adsorber y desorber varios átomos y moléculas. Cuando estos átomos o moléculas actúan como donantes o aceptores, se puede cambiar la concentración de portadores en el grafeno, mientras que el propio grafeno puede mantener una buena conductividad. Cuando se adsorben otras sustancias como H+ y OH-, se producirán algunos derivados, empeorando la conductividad del grafeno, pero no se producirán nuevos compuestos. Por tanto, el grafito se puede utilizar para inferir las propiedades del grafeno. Por ejemplo, la formación del grafeno se basa en grafeno bidimensional. Se añade un átomo de hidrógeno más a cada átomo de carbono, de modo que los átomos de carbono sp 2 del grafeno se hibridan sp 3. Se pueden producir fragmentos solubles de grafeno en el laboratorio modificando químicamente el grafito. Óxido de grafeno compuesto (GO): un material en capas obtenido a partir de grafito oxidado.
Después de tratar el grafito en trozos con una solución ácida concentrada humeante, la capa de grafeno se oxida a óxido de grafeno hidrófilo y la distancia entre las capas de grafito cambia de 3,35 antes de la oxidación. ¿Aumentarlo a 7 ~ 10? Después de calentar en agua o pelar por ultrasonidos, es fácil formar una estructura de lámina de óxido de grafeno separada. Los resultados de caracterización como XPS, espectroscopia infrarroja (IR) y resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido muestran que el óxido de grafeno contiene una gran cantidad de grupos funcionales que contienen oxígeno, incluidos grupos hidroxilo, grupos funcionales epoxi, grupos carbonilo y grupos carboxilo. , etc. Los grupos funcionales hidroxilo y epoxi se encuentran principalmente en la superficie del sustrato del grafito, mientras que los grupos carbonilo y carboxilo se encuentran en los bordes del grafeno. Grafeno: Se puede obtener haciendo reaccionar grafeno con hidrógeno. Es un hidrocarburo saturado de fórmula molecular (CH) n, en el que todos los carbonos tienen hibridación sp 3, formando una estructura de red hexagonal, y los átomos de hidrógeno están unidos a los carbonos de ambos extremos del plano de grafeno de forma alterna. El grafeno muestra propiedades semiconductoras y tiene una banda prohibida directa. Grafeno dopado con nitrógeno o nitruro de carbono: los átomos de nitrógeno se introducen en la red cristalina del grafeno para convertirse en grafeno dopado con nitrógeno. El grafeno dopado con nitrógeno generado muestra mejores propiedades que el grafeno puro y es desordenado y transparente, similar a una gasa plisada, con algunas. laminillas apiladas juntas para formar una estructura multicapa, exhibiendo una capacitancia específica más alta y un buen ciclo de vida. Biocompatibilidad: la inyección de iones carboxilo puede hacer que la superficie de los materiales de grafeno tenga grupos funcionales activos, mejorando así en gran medida la reactividad celular y biológica del material. En comparación con los nanotubos de carbono tubulares, el grafeno es más adecuado para el estudio de materiales biológicos. Y en comparación con los nanotubos de carbono, el grafeno tiene bordes más largos, es más fácil de dopar y modificar químicamente, y es más fácil de aceptar grupos funcionales. Oxidación: Puede reaccionar con metales activos. Reducibilidad: Se puede oxidar en el aire o con ácido. De esta forma, el grafeno se puede cortar en trozos pequeños. El óxido de grafeno es un material en capas obtenido por oxidación del grafito. Puede formar fácilmente una estructura de lámina de óxido de grafeno separada calentándola en agua o pelándola por ultrasonidos. Reacción de adición: utilizando los dobles enlaces del grafeno, se pueden agregar los grupos requeridos mediante una reacción de adición. Estabilidad: La estructura del grafeno es muy estable, con un enlace carbono-carbono de sólo 1,42. Las conexiones entre los átomos de carbono del grafeno son muy flexibles. Cuando se aplica una fuerza externa al grafeno, la superficie de los átomos de carbono se doblará y deformará, de modo que los átomos de carbono no tengan que reorganizarse para adaptarse a la fuerza externa, manteniendo así la estabilidad estructural. Esta estructura reticular estable le da al grafeno una excelente conductividad térmica. Además, cuando los electrones del grafeno se mueven en órbita, no se dispersarán debido a defectos de la red o a la introducción de átomos extraños. Debido a que la fuerza interatómica es muy fuerte, a temperatura ambiente, incluso si los átomos de carbono circundantes chocan, la interferencia de los electrones en el grafeno es muy pequeña. Al mismo tiempo, el grafeno es aromático y tiene las propiedades de los hidrocarburos aromáticos. Método de preparación Método de exfoliación mecánica El método de exfoliación mecánica es un método que utiliza la fricción y el movimiento relativo entre un objeto y el grafeno para obtener una fina capa de material de grafeno. Este método es sencillo de utilizar y el grafeno resultante suele mantener una estructura cristalina intacta. En 2004, dos científicos británicos utilizaron cinta adhesiva para pelar el grafito natural capa por capa y obtener grafeno, que también se clasifica como un método de pelado mecánico. Este método alguna vez se consideró ineficiente y no podía producirse a escala industrial. Aunque este método puede preparar grafeno del tamaño de una micra, tiene poca controlabilidad y es difícil lograr una síntesis a gran escala. Método redox El método redox utiliza reactivos químicos como ácido sulfúrico y ácido nítrico y oxidantes como permanganato de potasio y peróxido de hidrógeno para oxidar el grafito natural, aumentar el espacio entre las capas de grafito e insertar óxidos entre las capas de grafito para preparar óxido de grafito. Luego se lavaron los reactivos con agua y los sólidos lavados se secaron a baja temperatura para preparar polvo de óxido de grafito. El óxido de grafeno se prepara despegando el polvo de óxido de grafito mediante métodos como el pelado físico y la expansión a alta temperatura. Finalmente, el óxido de grafeno se reduce químicamente para obtener grafeno (RGO). Este método es sencillo de utilizar y tiene un alto rendimiento, pero la calidad del producto es baja. El método redox utiliza ácidos fuertes como el ácido sulfúrico y el ácido nítrico, que es muy peligroso y requiere una gran cantidad de agua para su limpieza, provocando una gran contaminación ambiental. El grafeno preparado mediante el método redox es rico en grupos funcionales que contienen oxígeno y es fácil de modificar. Sin embargo, al reducir el óxido de grafeno, es difícil controlar el contenido de oxígeno del grafeno reducido. Bajo la influencia de todos los factores externos, como la luz solar y las altas temperaturas en el transporte, el óxido de grafeno seguirá reduciéndose. Por lo tanto, la calidad de los productos de grafeno producidos mediante el método redox suele ser inconsistente y la calidad es difícil de controlar. Epibiografía direccional El método de epibiografía direccional utiliza la estructura atómica del sustrato de crecimiento para "sembrar" grafeno. Primero se infiltran átomos de carbono en rutenio a 1150°C y luego se enfrían a 850°C. Después del enfriamiento, una gran cantidad de átomos de carbono previamente adsorbidos flotarán hacia la superficie del rutenio y, finalmente, los átomos de carbono en la capa única en forma de lente crecerán hasta convertirse en una capa completa de grafeno.
Una vez cubierta la primera capa, la segunda capa comienza a crecer. La capa más baja de grafeno tendrá una fuerte interacción con el rutenio, mientras que después de la segunda capa, se separará casi por completo del rutenio, dejando solo un acoplamiento débil. Sin embargo, el espesor de las láminas de grafeno producidas con este método suele ser desigual y la adhesión entre el grafeno y la matriz afectará las propiedades de la capa de carbono. Epitaxia de carburo de silicio El método de epitaxia de SiC sublima los átomos de silicio del material en un ambiente de vacío ultraalto a alta temperatura, y los átomos de C restantes se reconstruyen mediante autoensamblaje para obtener grafeno basado en sustratos de SiC. Este método puede obtener grafeno de alta calidad, pero requiere un equipo elevado. Método Hemmer Utilice el método Hummer para preparar óxido de grafito; coloque el óxido de grafito en agua y disperselo ultrasónicamente para formar una solución de óxido de grafeno uniformemente dispersada con una concentración másica de 0,25 g/L-1 g/L, y luego agregue 28% gota a gota. a la solución de óxido de grafeno.% de agua con amoníaco; disolver el agente reductor en agua para formar una solución acuosa con una concentración en masa de 0,25 g/L ~ 2 g/L, mezclar uniformemente la solución de óxido de grafeno preparada y la solución acuosa del agente reductor. y agitar la mezcla resultante en condiciones de baño de aceite. La solución se filtra, se lava y se seca después de la reacción para obtener grafeno. Deposición química de vapor La deposición química de vapor (CVD) es un método de preparación de películas de grafeno mediante deposición de vapor utilizando gases orgánicos que contienen carbono como materia prima. Este es actualmente el método más eficiente para producir películas de grafeno. El grafeno preparado mediante este método tiene las características de gran superficie y alta calidad, pero el costo es relativamente alto en esta etapa y es necesario mejorar aún más las condiciones del proceso. Debido al fino espesor de la película de grafeno, las películas de grafeno de gran superficie no se pueden usar solas y deben colocarse en dispositivos macro, como pantallas táctiles, dispositivos de calefacción, etc. Algunos estudiosos utilizan la deposición de vapor a baja presión para generar grafeno de una sola capa en superficies infrarrojas. A través de investigaciones adicionales, se sabe que esta estructura de grafeno puede abarcar escalones metálicos y formar gradualmente una estructura de carbono monocapa continua a escala micrométrica en la superficie Ir. El grafeno monocristalino de tamaño milimétrico se obtiene mediante segregación superficial. Algunos estudiosos han descubierto el grafeno a escala centimétrica y el crecimiento epitaxial del grafeno en películas de Ni policristalinas. Después de calentar la superficie de la película de Ni con un espesor de 300 nanómetros a 1000 °C, se expone a una atmósfera de CH 4. Después de un período de reacción, se formará una pequeña cantidad de película de grafeno de gran superficie sobre la superficie del metal. Grafeno de una sola capa: se refiere a un material de carbono bidimensional compuesto por una capa de átomos de carbono con una estructura de anillo de benceno (es decir, estructura de panal hexagonal). Grafeno de doble capa o doble capa: se refiere a un material de carbono bidimensional compuesto por dos capas de átomos de carbono que se empaquetan periódicamente en una estructura de anillo de benceno (es decir, una estructura de panal hexagonal) en diferentes métodos de apilamiento (incluido el apilamiento AB y el AA). apilamiento). Pocas capas se refiere a un material de carbono bidimensional compuesto de 3 a 10 capas de átomos de carbono empaquetados periódicamente y estrechamente en una estructura de anillo de benceno (es decir, estructura de panal hexagonal) en diferentes métodos de apilamiento (incluido el apilamiento ABC y el apilamiento ABA). Grafeno multicapa Grafeno multicapa, también llamado grafeno multicapa: se refiere a un material de carbono bidimensional con un espesor superior a 10 capas y inferior a 10 nm, en el que átomos de carbono con una estructura de anillo de benceno (es decir, panal hexagonal estructura) se apilan de diferentes maneras (incluido el apilamiento ABC y el apilamiento ABA) en embalaje cerrado periódico. Principales aplicaciones Con los avances graduales en la producción en masa y los problemas de gran tamaño, el ritmo de la aplicación industrial del grafeno se está acelerando. Según los resultados de las investigaciones existentes, las primeras áreas en las que se realizarán aplicaciones comerciales podrían ser los dispositivos móviles, el sector aeroespacial y las baterías de nuevas energías. La investigación básica del grafeno tiene una importancia especial para la investigación básica de la física, ya que permite verificar experimentalmente algunos efectos cuánticos que antes sólo podían demostrarse teóricamente. En el grafeno bidimensional, la masa de los electrones parece inexistente. Esta propiedad convierte al grafeno en una materia condensada poco común que puede utilizarse para estudiar la mecánica cuántica relativista. Dado que las partículas sin masa deben moverse a la velocidad de la luz, deben describirse mediante la mecánica cuántica relativista, lo que proporciona a los físicos teóricos nuevas direcciones de investigación: algunos experimentos que de otro modo tendrían que realizarse en aceleradores de partículas gigantes, se pueden realizar en pequeños experimentos utilizando grafeno. Realizado en la habitación. El semiconductor de espacio cero es principalmente grafeno de una sola capa. Esta estructura electrónica afectará seriamente la acción de las moléculas de gas en su superficie. Los resultados de hidrogenación y oxidación del grafeno muestran que el grafeno de una sola capa tiene la función de mejorar la reactividad superficial en comparación con el grafito a granel, lo que indica que la estructura electrónica del grafeno puede regular su reactividad superficial. Además, la estructura electrónica del grafeno se puede cambiar mediante la inducción de la adsorción de moléculas de gas, no solo cambiando la concentración de portadores, sino también dopando diferentes grafenos. El grafeno sensor se puede convertir en sensores químicos, basándose principalmente en las propiedades de adsorción superficial del grafeno. Según investigaciones de algunos académicos, la sensibilidad de los detectores químicos de grafeno es comparable al límite de detección de una sola molécula.
La estructura bidimensional única del grafeno lo hace muy sensible al entorno que lo rodea. El grafeno es un material ideal para biosensores electroquímicos, y los sensores fabricados con grafeno tienen buena sensibilidad para detectar dopamina y glucosa en medicina. Diagrama esquemático del transistor sensor de grafeno de plasma excitado por haz infrarrojo. El grafeno se puede utilizar para fabricar transistores. Debido a la alta estabilidad de la estructura del grafeno, este transistor aún puede funcionar de manera estable a una escala cercana a la de un solo átomo. Por el contrario, los transistores actuales fabricados con silicio pierden estabilidad a una escala de unos 10 nanómetros; la velocidad de respuesta ultrarrápida de los electrones del grafeno a los campos externos permite que los transistores fabricados con grafeno alcancen una frecuencia de funcionamiento extremadamente alta. Por ejemplo, en febrero de 2010, IBM anunció que aumentaría la frecuencia de funcionamiento de los transistores de grafeno a 100 GHz, superando la de los transistores de silicio de la misma escala. Pantalla de visualización flexible La pantalla de visualización flexible ha atraído mucha atención en el Consumer Electronics Show y se ha convertido en la tendencia de desarrollo de las pantallas de visualización de dispositivos móviles en el futuro. El mercado futuro de pantallas flexibles es enorme y las perspectivas del grafeno como material básico también son prometedoras. Por primera vez, investigadores coreanos han creado una pantalla de cristal líquido transparente y flexible compuesta de múltiples capas de láminas de grafeno y poliéster de fibra de vidrio. Investigadores de la Corporación Samsung de Corea del Sur y la Universidad Sungkyunkwan crearon un trozo de grafeno puro del tamaño de un televisor en una lámina de poliéster de fibra de vidrio transparente y flexible de 63 centímetros de ancho. Dicen que este es el bloque de grafeno más grande jamás producido. Luego utilizaron bloques de grafeno para crear pantallas táctiles flexibles. Los investigadores dicen que, en teoría, las personas podrían enrollar sus teléfonos inteligentes y colocarlos detrás de sus orejas como si fueran un lápiz. Baterías de nueva energía Las baterías de nueva energía también son un área importante donde se comercializó por primera vez el grafeno. El Instituto Tecnológico de Massachusetts (Estados Unidos) ha desarrollado con éxito un panel fotovoltaico flexible con un nanorrecubrimiento de grafeno en la superficie, que puede reducir significativamente el coste de fabricación de células solares transparentes deformables y puede utilizarse en pequeños dispositivos digitales como los de visión nocturna. gafas y cámaras. Además, el desarrollo exitoso de las súper baterías de grafeno también ha resuelto los problemas de capacidad insuficiente de la batería y el largo tiempo de carga de los vehículos de nueva energía, acelerando enormemente el desarrollo de la industria de las baterías de nueva energía. Esta serie de resultados de investigación allana el camino para la aplicación del grafeno en la industria de las baterías de nueva energía. Estructura del supercondensador basado en grafeno y densidad de energía teórica del grafeno a diferentes voltajes Los filtros de grafeno para desalinización se utilizan más que otras tecnologías de desalinización. Cuando una película de óxido de grafeno en un entorno acuático entra en estrecho contacto con el agua, puede formar un canal con un ancho de aproximadamente 0,9 nm, a través del cual pueden pasar rápidamente iones o moléculas más pequeñas que este tamaño. Al comprimir aún más el tamaño del canal capilar y controlar el tamaño de los poros en la película de grafeno a través de medios mecánicos, la sal del agua de mar se puede filtrar de manera eficiente. El grafeno, material de almacenamiento de hidrógeno, tiene las ventajas de ser liviano, alta estabilidad química y alta superficie específica, lo que lo convierte en el mejor candidato para material de almacenamiento de hidrógeno. Aeroespacial Debido a su alta conductividad, alta resistencia y características ultrafinas, las ventajas de aplicación del grafeno en los campos aeroespacial y militar también son extremadamente destacadas. En 2014, la NASA desarrolló un conjunto de sensores de grafeno para uso en el campo aeroespacial, que pueden detectar oligoelementos en la atmósfera superior de la Tierra y defectos estructurales en las naves espaciales. El grafeno también desempeñará un papel más importante en posibles aplicaciones como material para aviones ultraligeros. Se espera que el nuevo elemento fotosensible que utiliza grafeno como material del elemento fotosensible, a través de una estructura especial, aumente la fotosensibilidad miles de veces en comparación con el CMOS o CCD existente, y consuma solo el 10% de la energía. Se puede utilizar en monitores, imágenes satelitales, etc., y se puede utilizar en cámaras, teléfonos inteligentes, etc. Materiales compuestos Los materiales compuestos a base de grafeno son una importante dirección de investigación en el campo de las aplicaciones del grafeno. Muestran un rendimiento excelente en los campos del almacenamiento de energía, dispositivos de cristal líquido, dispositivos electrónicos, materiales biológicos, materiales de detección y portadores de catalizadores, y tienen una amplia gama. perspectivas de aplicación. En la actualidad, la investigación sobre compuestos de grafeno se centra principalmente en compuestos de polímeros de grafeno y nanocompuestos inorgánicos a base de grafeno. Con la profundización de la investigación sobre el grafeno, la aplicación de refuerzos de grafeno en compuestos de matriz metálica a granel ha atraído cada vez más atención. Los compuestos poliméricos multifuncionales y los materiales cerámicos porosos de alta resistencia fabricados a partir de grafeno mejoran las numerosas propiedades especiales del compuesto. El biografeno compuesto se utiliza para acelerar la diferenciación osteogénica de las células madre mesenquimales de la médula ósea humana y también se utiliza para fabricar biosensores con grafeno epitaxial sobre carburo de silicio. Al mismo tiempo, el grafeno se puede utilizar como electrodo de interfaz neuronal sin cambiar ni destruir propiedades, como la intensidad de la señal o la formación de tejido cicatricial. Debido a su flexibilidad, biocompatibilidad y conductividad, los electrodos de grafeno son mucho más estables en el cuerpo que los electrodos de tungsteno o silicio. El óxido de grafeno es muy eficaz para inhibir el crecimiento de E. coli sin dañar las células humanas. Perspectivas de desarrollo La investigación y el desarrollo de aplicaciones del grafeno continúan calentándose.
Los materiales relacionados con el grafito y el grafeno se utilizan ampliamente en materiales de electrodos de baterías, dispositivos semiconductores, pantallas de cristal líquido transparente, sensores, condensadores, transistores, etc. En vista de las excelentes propiedades y el valor de aplicación potencial de los materiales de grafeno, se han logrado una serie de avances importantes en química, materiales, física, biología, medio ambiente, energía y otras disciplinas. Los investigadores se han comprometido a probar diferentes métodos en diferentes campos para preparar materiales de grafeno de gran superficie y alta calidad. Mediante la optimización y mejora continua del proceso de preparación del grafeno, se ha reducido el costo de preparación del grafeno y sus excelentes propiedades materiales se han utilizado ampliamente y se han industrializado gradualmente. China también tiene ventajas únicas en la investigación del grafeno. Desde una perspectiva de producción, el grafito, como materia prima para la producción de grafeno, tiene abundante almacenamiento de energía nacional y es barato. Es precisamente debido a las perspectivas de aplicación del grafeno que muchos países han establecido centros de investigación y desarrollo de tecnología relacionada con el grafeno en un intento de comercializar el grafeno y obtener posibles patentes de aplicación en campos relacionados con la industria, la tecnología y la electrónica. Por ejemplo, la Comisión Europea considera el grafeno como un "futuro proyecto tecnológico emblemático" y ha establecido un plan especial de investigación y desarrollo, asignando 654,38+0 mil millones de euros en los próximos 2000 años. El gobierno británico también ha invertido en la creación del Instituto Nacional de Grafeno (NGI), intentando llevar este material del laboratorio a la línea de producción y al mercado en las próximas décadas. Se espera que el grafeno se convierta en una nueva generación de dispositivos en muchas aplicaciones. Para explorar campos de aplicación más amplios del grafeno, es necesario continuar buscando mejores tecnologías de preparación de grafeno para permitir mejores aplicaciones. Aunque el grafeno fue sintetizado y se demostró su existencia hace sólo una docena de años, este año se ha convertido en un tema candente entre los académicos. Sus excelentes propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas y térmicas han impulsado a los investigadores a realizar estudios en profundidad. Con el desarrollo continuo de los métodos de preparación de grafeno, en un futuro próximo el grafeno se utilizará más ampliamente en diversos campos. La industrialización del grafeno está todavía en sus primeras etapas y algunas aplicaciones aún no son suficientes para reflejar las diversas propiedades "ideales" del grafeno. Sin embargo, muchos investigadores de todo el mundo están explorando aplicaciones "destructivas". Hay demasiados desafíos que enfrentar en las pruebas y la certificación en el futuro, y se requiere una innovación continua en medios y métodos.