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石墨烯跟摩擦有啥联系?未来或将作为纳米固态润滑材料应用
李明 2017-05-27
导语

到底什么是石墨烯?它有哪些特性备受推崇?科学家又在研究石墨烯的什么?我们来一起看看这个被誉为“黑金”、“万能材料”的石墨烯。


石墨烯灯泡、石墨烯锂电池,有关石墨烯的新闻不绝于耳。前不久有媒体报道称,我国专家利用从玉米芯中提取糠醛等物质后剩余的纤维素为原料制备了生物质石墨烯材料。到底什么是石墨烯?它有哪些特性备受推崇?科学家又在研究石墨烯的什么?我们来一起看看这个被誉为“黑金”、“万能材料”的石墨烯。

▍被称为“黑金”的石墨烯到底是啥?

2004年,一个偶然的机会科学家们无意间在石墨中发现了另一种神奇的物质“石墨烯”。

安德烈·海姆和同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫用普通胶带纸从石墨中剥离出二维材料石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨我们并不陌生,组成石墨的元素是碳。平时我们使用的铅笔,笔芯材料就是石墨。石墨的结构是层面状的,层与层之间的作用力非常弱。铅笔芯正是利用了这个特性,书写时会有一片片微米大小的石墨层脱落。而即使是微米厚度的石墨片,如果用显微镜观察,也是由百万乃至千万层的单层碳原子堆叠在一起所组成的。当只取其中的一个碳原子层,这就是个单层的石墨烯。因此石墨可以看做是许许多多层石墨烯堆积形成的。由于石墨烯在厚度上非常小(大约只有百万分之一毫米),这类材料也就被称为二维材料,从几何维度上加以区别石墨这样的传统三维材料。

科学家张广宇说,石墨烯非常的简单,他举了个简单的例子告诉人们什么是石墨烯。我们活在三维的空间中,石墨烯活在二维空间里面。Z方向只有一个原子层,这个原子层是由碳的六圆环这样一个结构,构成的蜂窝状的结构,这个东西就叫石墨烯。把石墨烯一层一层按一定的次序摞起来,能摞得非常多,上万层、几千万层,这个材料就是我们非常熟悉的材料石墨。

用什么方法能够获得石墨烯?

石墨烯的发现有多重要?“历史学家根据人类使用的材料,将人类历史划分为‘石器时代’‘青铜时代’、‘铁器时代’、‘信息时代’(即‘硅时代’)等等。石墨烯作为碳的一种特殊形态被发现,或许为人类开启了迈向‘碳时代’大门的可能性。”

当初安德烈·海姆就是用机械剥离法发现了石墨烯,实际上石墨烯的获得有很多种办法,用机械剥离的办法,原理很简单,一层一层的解理,最后给它剩下一个单层,就得到了石墨烯。机械剥离法是当前制取单层高晶质石墨烯的主要方法。当然科研人员也在不断努力,探索寻求开发出更多制备石墨烯的方法。石墨烯的制备方法有微机械剥离法、碳纳米管横向切割法、化学气相沉积法、微波法、电弧放电法、液相剥离石墨法、光照还原法、外延生长法、溶剂热法、石墨氧化还原法、电化学还原法、碳化硅裂解法。

▍石墨烯都具有哪些特性?

张广宇说,石墨烯从物理尺度上是一个二维材料,它超级薄,只有一个原子层厚。石墨烯的透光率大约是97.7%,它的力学性能非常好,它的杨氏模量是1100Gpa,1m2这样一个单层的石墨烯,如果把它做成一个吊床,一只猫坐在这个吊床上都是没有问题,石墨烯是一个非常强壮的材料。另外,石墨烯不但机械强度好,它的导电性能也好,比如说我们常用的导电性比较好的是银和铜,石墨烯的导电性比银和铜要强100倍到200倍。以前说金刚石的导热性能是非常好的,而石墨烯比金刚石导热性能还好,好到什么程度呢,大约两倍左右。

基于石墨烯这些特性,人们开始遐想它是否非常适合作为透明电子产品的原料,比如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯未来的发展空间是很广阔的,比如说人造电子皮肤、超薄的传感器、超薄的电子学器件等。为此,一些偏向应用的科学家已经在试着研究利用石墨烯的一些特殊性质来做实际的应用。

▍石墨烯与摩擦有着怎样的联系?

对于石墨烯的研究科学家们没有停下探索的脚步。西安交通大学李苏植博士和他的团队就研究发现了石墨烯的摩擦行为及机制。在我们的生活中,摩擦现象无处不在。比如,正是借助于鞋底和地面的摩擦力,我们才得以行走;寒冷的冬天我们摩擦双手,会感觉手掌变暖和。人们通过大量的实验现象总结出摩擦学方面的规律,从而更好地指导人们在现实中使用和调控摩擦力。

在工业生产中,为了减少机械部件的磨损,常常需要使用润滑剂来降低摩擦阻力,而石墨就是常用的固体润滑剂。二维材料石墨烯在力学、电学、热学等方面都表现出优异而奇特的性能,比如它的强度比钢要高出100倍,同时还具有极好的导电性和导热性。而对石墨烯的摩擦测试发现,它的摩擦行为也非常奇特,与石墨有明显的不同,比如单层石墨烯的摩擦力要比石墨的大。而且,石墨烯的摩擦力在初始阶段会随着摩擦距离的增加而变大,滑动一段距离后摩擦力才稳定,这并不像石墨那样自始至终是不变的。石墨烯的这些特殊现象引发了人们广泛的关注和讨论,但内在的原因却不得而知,传统的微观摩擦理论迄今也未能给出一个合理的解释。

▍石墨烯有望作为纳米固态润滑材料应用

自2004年首次被制备以来,以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质,成为学术界研究的热点。李苏植博士等通过计算机模拟技术,成功揭示了石墨烯摩擦的内在原因。该团队发现由于石墨烯只是薄薄的一个原子层,如同一片轻薄的纱巾一样,当有物体与其接触产生摩擦时,石墨烯很容易发生局部的几何变形(如形成褶皱),这种几何变形能够改变接触区域的咬合方式最终影响摩擦力,这种咬合力也就是物体之间相互运动所需要克服的摩擦阻力。如果把石墨看作一本书,那么石墨烯就是其中的一页。很容易想象,薄薄的石墨烯很容易形成褶皱,而厚厚的石墨是很难产生这种局部的几何变形,从而也就不具备石墨烯这种与几何构型相关的摩擦特性。

通过原子模拟,该合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的所有核心现象,并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明:在接触摩擦过程中,石墨烯由于层数不同,确实会引起表面变形能力的差异,进而影响真实的接触面积;但这种单纯的黏着褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。这项研究工作首次阐述了石墨烯摩擦演化行为的机理,相关的“接触质量”理论对于其他拥有超柔力学特性的二维材料也具有普适性,同时对进一步理解固体界面摩擦行为的物理机制具有重要的指导意义。此外,作为新一代的固体润滑剂,石墨烯在诸多方面都表现出优于传统材料的特性。

国际顶级学术期刊《自然》杂志于2016年底发表了西安交通大学这项最新的研究成果。这项研究在理论和实际方面都产生了很大的意义。从理论角度说,发现传统摩擦理论在二维材料中应用的局限性,完善并扩展了主导二维材料的摩擦机制。另外,基于二维材料自身大柔性的特点,进一步提出了一种通过二维材料几何构型来调控摩擦行为的思路,并对光学、电学等其他方面的研究也有重要的启示作用。在实际应用方面,一些研究表明石墨烯具有优异的润滑和抗磨性能,当前的工作有望作为理论依据,来进一步指导石墨烯作为纳米固态润滑材料在实际中的应用。

(本文来源:三秦都市报;)

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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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