內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)的內(nèi)布拉斯加中心成員，機(jī)械和材料工程教授Yuri Dzenis McBroom帶領(lǐng)此次研究小組進(jìn)行研究，他發(fā)現(xiàn)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(fù)合材料的性能。這種材料使用范圍廣泛，用于制造超輕飛機(jī)、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(jié)構(gòu)，因此質(zhì)地非常堅韌、耐熱，并且具有導(dǎo)電性。石墨烯研究主題曾在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

 

　　內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)的工程師和西北大學(xué)以及圖森材料和電化學(xué)研究集團(tuán)的研究人員聯(lián)合進(jìn)行該項研究。內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)的研究小組發(fā)明了一種將石墨烯氧化物納米顆粒作為模板引導(dǎo)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(dǎo)致納米纖維很難形成。因此我們打破常規(guī)，只是用了很少量的石墨烯。”

 

　　試驗生成的碳納米纖維結(jié)構(gòu)跟預(yù)想的纖維很類似，不僅強(qiáng)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(qiáng)的性能進(jìn)行測試，也將繼續(xù)對技術(shù)進(jìn)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(chǎn)過程僅需要少量的納米顆粒，因此將大大降低生產(chǎn)負(fù)荷材料的成本，要知道納米顆粒的價格不菲。

 

　　利用內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)發(fā)明的納米纖維制造法生產(chǎn)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(jìn)功能材料》上發(fā)表了研究發(fā)現(xiàn)。

 

　　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(xué)、澳大利亞臥龍崗大學(xué)、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)和韓國漢陽大學(xué)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(fā)絲還細(xì)小的微電機(jī)。該研究成果發(fā)表在近期出版的《科學(xué)》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(jié)構(gòu)特征，管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成。在此項研究中，研究人員首先生產(chǎn)出高400微米、寬12納米的碳納米管細(xì)微結(jié)構(gòu)“森林”，然后將其紡成類似繩索結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)電液體中。碳納米管紗開始進(jìn)行扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。它首先向一個方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定的限度，改變電壓后，再向反方向旋轉(zhuǎn)。左手螺旋紗和右手螺旋紗的旋轉(zhuǎn)方向正好相反。

 

　　研究人員表示，碳納米管紗的扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jié)構(gòu)，離子涌入將導(dǎo)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(jié)果表明，新型碳納米管紗以590轉(zhuǎn)/分鐘的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，可以旋轉(zhuǎn)比自身重2000倍的槳葉。每毫米碳納米管紗在250轉(zhuǎn)/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(jī)聚合物人工肌肉1000倍。輸出功率可媲美大型電機(jī)。

 

　　研究人員已設(shè)計了一個簡單的設(shè)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(gòu)成的流體混合器，可旋轉(zhuǎn)比自身寬200倍、比自身重80倍的槳葉。

 

　　傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(gòu)建電機(jī)。英國萊斯大學(xué)化學(xué)和計算機(jī)科學(xué)系的詹姆斯教授認(rèn)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(yīng)用在機(jī)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(jī)、微型壓縮機(jī)和微型渦輪機(jī)；基于旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的微型泵可以集成到芯片實驗室技術(shù)制造的設(shè)備上；還可以將其應(yīng)用于機(jī)器人、假肢及各種傳感器上。

 

　　未來材料寵兒石墨烯：超輕飛機(jī)、太空電梯變可能

 

　　想在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影嗎？石墨烯調(diào)制器的問世或許能讓這個愿望得以實現(xiàn)。

 

　　美國華裔科學(xué)家張翔教授的研究團(tuán)隊用石墨烯研制出一款調(diào)制器，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)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(fā)現(xiàn)至今尚不足十年，石墨烯卻不斷在科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界引發(fā)一輪輪波瀾。隨著人們對它的認(rèn)識逐漸明晰，其神秘面紗就像發(fā)現(xiàn)之初那樣被一層層揭開——薄且堅硬，透光度好，導(dǎo)熱性強(qiáng)，導(dǎo)電率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電子遷移速度快，能在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)……

 

　　從假設(shè)到現(xiàn)實

 

　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)，之所以意義重大，是因為它創(chuàng)造了諸多“紀(jì)錄”

 

　　石墨烯是構(gòu)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(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為只存在于理論之中，無法單獨穩(wěn)定存在。直至2004年，英國物理學(xué)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(xué)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(fù)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(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

 

　　憑借“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，這兩位科學(xué)家共同獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

 

　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)，之所以意義重大，是因為它創(chuàng)造了諸多“紀(jì)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(fā)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(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛接受《中國科學(xué)報》記者采訪時如此描述。

 

　　石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

 

　　它比鉆石還堅硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。

 

　　哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)高出其在硅、銅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體和導(dǎo)體中的速率。

 

　　“電子在石墨烯里邊好像沒有質(zhì)量一樣，運(yùn)動速度非?？臁?rdquo;中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾長淦在接受《中國科學(xué)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(yōu)良特性。”

 

　　它的另一特性讓材料學(xué)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(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景。中科院院士高鴻鈞對此表示：“石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。”