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國外石墨烯最新應用匯總，哪一個能率先突破？（上篇）

2018-08-17 13:25:41 作者：本網(wǎng)整理來源：石墨烯在線分享至：

導讀:石墨烯是地球上最薄、最堅固的材料。自2004年以來，當研究人員首次從普通石墨中分離出單層石墨烯，技術(shù)界就給予這種“神奇的材料”很高的期望。

由于石墨烯的發(fā)現(xiàn)，研究人員在2010年獲得諾貝爾物理學獎。我們何時能看到世界上最新穎的材料所生產(chǎn)的產(chǎn)品呢？這篇文章或許能給大家撥開迷霧。

1、利用石墨烯膜可以將鹽從海水中分離

地球表面大部分被水所覆蓋，但是由于大量的鹽的存在，使得我們很難將它當做飲用水的來源。為了解決這個問題，曼徹斯特大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種可擴展的、孔徑大小均勻的氧化石墨烯薄膜，它可以過濾掉極其微小的鹽顆粒，而不過多影響水的流動。

由于石墨烯膜被淹沒在水中時會變得膨脹起來，它不能過濾掉那些極其微小的普通鹽離子。為此，他們找到一個通過物理方式來控制薄膜在水中膨脹程度的方法。該方法使它們比普通鹽離子的孔徑更小，從而過濾掉不想要的鹽、顆粒和分子。與此同時，這種薄膜仍然允許水流十分順利地通過。

從長遠來看，有研究小組指出，調(diào)整孔徑大小以過濾特定離子的基本思想可以應用于不同的薄膜，也有著不同的用途。

2、變形或破裂時可變色的石墨烯涂層可檢測裂紋

德國萊布尼茲聚合物研究所研究團隊開發(fā)了一種石墨烯涂層，它在變形或破裂時可改變顏色。例如，機翼和其他飛機部件可以產(chǎn)生微小的裂紋，當受到突然的壓力時，可能會導致故障。在這項新的努力中，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種這種材料的涂層，這將使檢查員更容易發(fā)現(xiàn)可能導致故障的微小裂紋。

通過使用特殊的沉積方法重疊具有有序和無序特征的石墨烯納米片（GNP），實現(xiàn)了獨特的“魚鱗”結(jié)構(gòu)。通過精細平行多層膜的機械調(diào)諧觀察到可變結(jié)構(gòu)著色。此外，結(jié)合可變結(jié)構(gòu)著色和電氣感測功能的方法，使用幾種顏色來解決“交通燈”中的危險報警和安全性系統(tǒng)，他們?yōu)椴牧瞎收锨暗奈ｋU等級和微裂紋的早期警告帶來了第一個有價值的步驟。

3、石墨烯光電晶體管有望用于光學技術(shù)

石墨烯是一種薄碳層，可應用于光電方面，研究人員正在努力研發(fā)石墨烯光電探測器，這些器件對許多技術(shù)都至關(guān)重要。然而，由石墨烯制成的典型光電探測器僅僅能小面積感應光，因而也限制了其性能。

目前，研究人員通過將石墨烯與相對質(zhì)量較大的碳化硅材料相結(jié)合，研制出了可被光激活的石墨烯場效應晶體管，因而解決了這個問題。“高性能光電探測器可應用于諸多方面，包括天體物理學高速通信、超靈敏攝像機、感測應用、可穿戴電子設備等。另外石墨烯晶體管陣列會帶來高分辨率成像和顯示。未來研究方向主要包括探索諸如閃爍體、天體物理學成像技術(shù)和高能輻射傳感器等。

4、石墨烯有望促進神經(jīng)細胞再生

一種非常規(guī)的工程技術(shù)也許能夠克服神經(jīng)再生的障礙。來自愛荷華州立大學的科學家們已經(jīng)開發(fā)出了一種利用噴墨打印機的納米技術(shù)，這種技術(shù)可以生成多層石墨烯電路。這種技術(shù)的最終結(jié)果有望將間質(zhì)干細胞（形成骨、軟骨和脂肪細胞）轉(zhuǎn)化為施旺細胞，這種細胞在促進神經(jīng)細胞的康復中起著多種作用。

在一份聲明中，共同第一作者、愛荷華州的生物化學工程博士后研究員Metin Uz說，”這項技術(shù)可能會獲得一個更好的方法來分化干細胞。“ 然而，改進這種方法可能會影響體內(nèi)受損神經(jīng)的修復方式。

根據(jù)該團隊的研究結(jié)果，可以得出結(jié)論：”靈活的石墨烯電極可以適應損傷部位，并為神經(jīng)細胞再生提供了直接的電刺激，這些結(jié)果為體內(nèi)神經(jīng)再生鋪平了道路。“

5、用石墨烯和金去做優(yōu)良腦探測器

來自韓國的一支研究團隊研發(fā)出了更高效的神經(jīng)電極，可以最大限度地減少組織損傷，還能傳輸清晰的腦信號。通常，電極越小，檢測信號越困難。然而，韓國大邱慶北科技研究院的一個團隊開發(fā)出了一種小型，靈活和清晰的腦信號檢測器。

檢測器由記錄大腦信號的電極組成。信號沿著互聯(lián)線傳到連接器，將信號傳輸?shù)綔y量和分析信號的機器上。這些組合的材料增加了探針（探測器）的有效表面積，導電性能和電極強度，同時仍保持柔軟性和與軟組織的相容性。

這意味著電極可以收縮，但不會減少信號檢測。互聯(lián)線由石墨烯和金的混合物制成。石墨烯是柔軟的，金是優(yōu)良導體。研究人員測試了探針，發(fā)現(xiàn)它能清晰讀取大鼠腦信號，比標準的平面金電極好得多。該探針需要在廣泛商業(yè)化之前進行進一步的臨床測試。

6、石墨烯中的可控制電子為開發(fā)潛在電子設備提供新契機

科學家第一次在石墨烯中創(chuàng)造出了可調(diào)諧的人造原子。研究結(jié)果表明，限制用于控制石墨烯電子的技術(shù)是可行、可控、可逆的。電子的能量狀態(tài)是”可調(diào)節(jié)的“。這種可調(diào)性為研究石墨烯中獨特的物理電子行為開辟了新途徑。此外，它還提供了一種通過使用以石墨烯為主要設備的方法，促進了未來的電子技術(shù)，通信和傳感器。

羅格斯大學研究人員領(lǐng)導的團隊開發(fā)出了一種技術(shù)，可以穩(wěn)定地保持和控制修改石墨烯中局部的電荷狀態(tài)。該小組進一步證明，在外部電場作用下，空位處的準邊界狀態(tài)是可調(diào)的。捕獲機制可以打開和關(guān)閉，從而提供了一種新的范例來控制和引導石墨烯中的電子。

7、石墨烯納米帶可實現(xiàn)超敏感質(zhì)量檢測

中國科學技術(shù)大學的研究團隊利用懸浮在溝槽上的石墨烯納米棒，通過單電子晶體管（SET）發(fā)現(xiàn)了納米機械運動與電導之間的聯(lián)系。

郭國平和他的團隊通過絲帶測量電流時，有了一些非常顯著的發(fā)現(xiàn)。當調(diào)節(jié)施加到色帶端部的交流柵極電壓的頻率時，它他們發(fā)現(xiàn)機械運動與單個電子進出帶的流動耦合；通過在較高功率下驅(qū)動色帶，系統(tǒng)進入非線性狀態(tài)。從這個角度看，血紅蛋白和其他典型的蛋白質(zhì)在這個規(guī)模上有質(zhì)量。

它們還提供了探索超過現(xiàn)有技術(shù)解決方案的納米級現(xiàn)象的途徑，可以揭示一系列領(lǐng)域的問題。

8、石墨烯海綿添加劑可用于增強鋰電池性能

來自日本NEC公司的研究員錢成開發(fā)了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為Magic G，可用于鋰離子電池的陽極和陰極，以提高其速率和功率性能。盡管經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，鋰離子電池顯示出一些很好的性能，但由于充放電能力差和高倍率性能，它們?nèi)匀皇艿降凸牡挠绊憽?/span>

錢成開發(fā)了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為”魔術(shù)G“（MG），具有高導電性，高比表面積和高電解質(zhì)吸收能力。海綿已經(jīng)作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環(huán)性。

由于添加劑引入后而產(chǎn)生的電極特性，對于用于電動車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進一步優(yōu)化未來的結(jié)構(gòu)，以獲得更高的性能。

9、無水環(huán)境下，石墨烯氫燃料電池膜可提升電池效率

匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯（二氧化碳和氫氣的二維聚合物）具有一種不尋常的特性，它可以形成一種無水的”管道“，也就是說不需要水就可運輸質(zhì)子。無形之中引領(lǐng)了開發(fā)氫燃料電池的潮流，這種燃料可用于車輛和其他能源系統(tǒng)。

質(zhì)子傳導膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道。此膜對溫度和含水量要求高，當溫度過高或濕度下降，這會消耗水膜并阻止質(zhì)子遷移穿過膜。

約翰遜博士說：”我們的計算機模型表明，由于石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)，使得它非常適合在無水條件下，通過電路快速地實現(xiàn)質(zhì)子跨膜和電子傳遞。這表明將氫燃料電池車做為未來最佳的替代車輛，已指日可待。

10、石墨烯膜可使核去污能量減少100倍

根據(jù)曼徹斯特大學的研究，與現(xiàn)有技術(shù)相比，石墨烯可有助于核電廠生產(chǎn)重水和去污能耗成本減少超過100倍。Marcelo Lozada-Hidalgo博士領(lǐng)導的團隊展示了一種可完全擴展的石墨烯膜原型，這種石墨烯膜能夠更有效地生產(chǎn)重水，從而產(chǎn)生更環(huán)保并且更便宜的核電。

現(xiàn)在，曼徹斯特集團開發(fā)了可完全擴展的原型膜，并展示了中試規(guī)模研究中的同位素分離。他們發(fā)現(xiàn)高效率的分離將顯著降低需要處理的原始同位素混合物的投入量，這降低了資本成本和能源需求。

研究人員認為，超重氫凈化的能源效益在未來將會更大，這是全球主要關(guān)注的問題。