Análisis de las propiedades, aplicaciones y estado de desarrollo del grafeno

Recientemente, el Foro de Estandarización de Grafeno de China lanzó el primer láser de fibra de femtosegundo de grafeno comercial del mundo. Este producto resuelve los problemas técnicos clave de la transferencia de grafeno a gran escala y de bajo costo y la interacción del grafeno con la intensidad del campo de luz. Durante un tiempo, el grafeno ha recibido mucha atención en el campo de la tecnología láser.

En 2004, dos científicos británicos nacidos en Rusia separaron con éxito el grafeno del grafito. El grafeno combina los mejores materiales de calidad del mundo. El grafeno es sin duda la más deslumbrante de todas las 'estrellas' de la última década e incluso décadas. Si el siglo XX es el siglo del silicio, el grafeno mágico es el favorito del nuevo material del siglo XXI.

Aunque no se ha encontrado en menos de diez años, el grafeno ha estado provocando una ronda de turbulencias en los círculos científicos e industriales. A medida que la gente lo entendió gradualmente, su misterioso velo se descubrió tanto como al principio: delgado y duro, buena transparencia, fuerte conductividad térmica, alta conductividad eléctrica, estructura estable y velocidad de migración de electrones rápida, puede observar el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente.

De la hipótesis a la realidad

El descubrimiento del grafeno es significativo porque crea muchos 'registros'

El grafeno es un material unitario básico que constituye alótropos de carbono como el grafito, el carbón vegetal, los nanotubos de carbono y los fullerenos, y es un cristal bidimensional.

Siempre se ha considerado que la estructura del grafeno existe solo en teoría y no puede estar presente de manera estable por sí sola. Hasta 2004, los físicos británicos Andre Heim y Konstantin Novoselov separaron con éxito el grafeno del grafito, confirmando que puede existir solo.

Inicialmente, el científico quitó la hoja de grafito del grafito y luego pegó los dos lados de la hoja a una cinta especial. La cinta se despegó para dividir la hoja de grafito en dos. A través de operaciones repetidas, las hojas de grafito se vuelven cada vez más delgadas. Finalmente, obtuvieron una lámina que consta de una sola capa de átomos de carbono, que es el grafeno.

Con el 'experimento creativo en materiales de grafeno bidimensionales', los dos científicos ganaron conjuntamente el Premio Nobel de Física 2010.

El descubrimiento del grafeno es significativo porque crea muchos "registros".

El grafeno es el material más delgado del mundo.

El grafito tiene solo 0,34 nanómetros de grosor, y el grosor de 100.000 capas de grafeno es aproximadamente igual al diámetro de un mechón de cabello, que es invisible a simple vista. Haofei Shi, subdirector del Centro de Investigación de Integración de Sistemas y Fabricación Micro-Nano del Instituto de Investigación de Chongqing de la Academia de Ciencias de China, describió esto en una entrevista con la Revista de la Academia de Ciencias de China.

El grafeno es la sustancia más intensa conocida por el hombre.

Es más duro que los diamantes y 100 veces más fuerte que el mejor acero del mundo.

Los físicos de la Universidad de Columbia utilizaron sondas hechas con diamantes para probar la resistencia del grafeno. La presión máxima que se puede soportar por cada 100 nanómetros antes de que se rompan las partículas de las muestras de grafeno comenzó a alcanzar 2,9 micro-N. Esto significa que, si fabrica una bolsa de grafeno, podrá soportar unas dos toneladas de elementos.

El grafeno tiene una resistividad extremadamente baja y la migración de electrones es extremadamente rápida.

En el grafeno, los electrones pueden migrar de manera muy eficiente, con una tasa de migración de solo un tercio de la velocidad de la luz, mucho más alta que en los semiconductores y conductores convencionales como el silicio y el cobre.

La electrónica parece no tener masa dentro del grafeno y la velocidad de movimiento es muy rápida. Changyu Zeng, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, dijo que las características de la energía de los electrones que no se agotarán hacen que este material tenga características extraordinarias.

Otra característica del material es sorprender a los científicos de materiales, el material es casi completamente transparente y la transmitancia de luz es superior al 97%.

En 2012, IBM USA desarrolló con éxito el primer circuito integrado hecho de obleas de grafeno, lo que hizo que las propiedades eléctricas especiales del grafeno mostraran las perspectivas de aplicación. Hongjun Gao, académico de la Academia de Ciencias de China, dijo: "Los materiales de grafeno tienen excelentes propiedades eléctricas y se espera que se utilicen en la fabricación de dispositivos electrónicos de alto rendimiento de próxima generación".

Guiando la revolución tecnológica

En todo el mundo, la locura por la investigación y las aplicaciones del grafeno sigue aumentando

Las misteriosas y mágicas propiedades especiales del grafeno hacen que la gente se haga ilusiones sobre su aplicación.

En China, la investigación de aplicaciones del grafeno está en pleno apogeo.

China está a la vanguardia de la investigación básica y la industrialización del grafeno, y muchos equipos de investigación han logrado avances en la investigación del rendimiento y la tecnología de preparación del grafeno. Entre ellos, la tecnología de preparación de película de grafeno del Instituto de Tecnología Inteligente Verde de Chongqing de la Academia de Ciencias de China se transfirió a un precio de 210 millones de yuanes, lo que hizo que los investigadores y desarrolladores estuvieran ansiosos por moverse.

En todo el mundo, la locura por la investigación y las aplicaciones del grafeno sigue aumentando.

Según las estadísticas de Cambridge Intellectual Property Corporation, a mayo de este año, se han aprobado y se están aplicando un total de 9.218 patentes de grafeno en todo el mundo, y el número de solicitudes de patentes se ha cuadruplicado en los últimos cinco años; desde 2004, grafito Los trabajos de investigación en el campo de las olefinas están aumentando exponencialmente. El número total de artículos ha superado los 20.000 hasta ahora, y solo en 2012 superó los 6.000.

Nunca un material ha sido ampliamente utilizado en diversos campos como el grafeno. Changyi Zeng sintió que, aunque no hay productos de grafeno reales disponibles en el país y en el extranjero, es el material más cercano a muchos materiales de "estrellas".

Armadura corporal ultraligera, arma láser de eficiencia de conversión superligera, avión ultradelgado ultraligero, teléfono móvil plegable ultradelgado, materiales aeroespaciales de alta resistencia, almacenamiento y sensores de energía de alto rendimiento, supercondensadores y un espacio aún más imaginativo Ascensores, Cada vez más dispositivos futuros basados en materiales de grafeno han entrado en el campo de investigación de los científicos.

Entre ellos, la aplicación de electrodos transparentes es la más atractiva. La buena conductividad eléctrica y las propiedades de transmisión de luz del grafeno lo convierten en una muy buena perspectiva de aplicación en electrodos conductores transparentes. Changjun Zeng dijo que ahora las pantallas táctiles, las pantallas de cristal líquido, las células fotovoltaicas orgánicas, los diodos emisores de luz orgánicos, etc. en productos electrónicos requieren buenos materiales de electrodos conductores transparentes.

El electrodo de conductividad tradicional utiliza óxido de indio y estaño, que es relativamente frágil y relativamente fácil de dañar.

Por el contrario, el grafeno no solo es más duro sino que también tiene un mejor rendimiento.

"La tasa de aprobación de la luz de óxido de indio y estaño es relativamente baja, con grafeno, la pantalla será más brillante". Changjun Zeng dijo que la aplicación de grafeno en electrodos transparentes reducirá en gran medida el costo de los equipos electrónicos y los hará más eficientes energéticamente y más claros. "Una década, el grafeno ciertamente se puede comercializar en electrodos transparentes".

Más del 97% de la tasa de transmisión de luz ha provocado cambios en la aplicación de electrodos transparentes y también ha permitido mejorar la industria solar.

Según los expertos, los paneles solares actuales en el mercado son básicamente silicio policristalino, y su tasa de conversión fotoeléctrica es de alrededor del 30%, mientras que la eficiencia de conversión fotoeléctrica de la tecnología solar de grafeno es tan alta como 60%, que es el doble que la del polisilicio existente tecnología solar.

Recientemente, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y Apple han publicado informes de investigación sobre la posibilidad del grafeno como célula solar para proporcionar energía a dispositivos electrónicos. Apple ha presentado una solicitud de patente con el propósito de transportar energía solar de grafeno en equipos electrónicos. La batería proporciona una solución.

Zhaoping Liu, investigador del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de la Academia de Ciencias de China, dijo en una entrevista con la Revista de la Academia de Ciencias de China que los microchips de grafeno pueden formar un contacto conductor bidimensional con partículas de materiales activos de litio. Las baterías de iones y la construcción de una red conductora tridimensional en los electrodos pueden mejorar en gran medida el rendimiento general de la batería.

Los resultados experimentales preliminares muestran que la batería de óxido de cobalto de litio con agente conductor de grafeno tiene una capacidad superior al 3% y la capacidad de descarga ha aumentado del 72% al 92% en comparación con la batería convencional.

Tecnología de preparación de vanguardia

La tecnología de preparación es uno de los obstáculos para que el grafeno ingrese al campo de aplicación y se dé cuenta de la industrialización.

A pesar de la investigación cada vez más exhaustiva sobre el grafeno por parte de científicos nacionales y extranjeros, los resultados de su aplicación están surgiendo constantemente. Sin embargo, hay pocos materiales de grafeno reales disponibles en el mercado.

La tecnología de preparación es uno de los obstáculos para que el grafeno ingrese al campo de aplicación y se dé cuenta de la industrialización. La tecnología de preparación de alto costo ha elevado el precio de mercado del grafeno, y su precio llegó una vez a 5.000 yuanes por gramo, que es más de diez veces el del oro.

Hongjun Gao declaró sin rodeos en la Conferencia Científica de Xiangshan sobre el tema del grafeno celebrada a fines del año pasado. China aún enfrenta grandes desafíos en el campo de la investigación de los métodos de preparación de grafeno. “El desafío radica principalmente en cómo preparar materiales monocristalinos de alta calidad con grandes áreas y defectos de impurezas controlables y cómo mejorar la tecnología de procesamiento de grafeno del proceso de fusión existente basado en silicio. «A pesar de esto, los científicos chinos todavía han logrado un gran avance en el desarrollo de la tecnología de preparación de grafeno. Zhaoping Liu dirigió el equipo de investigación a través de años de esfuerzos para desarrollar tecnología de preparación industrial de grafeno, reduciendo el costo de fabricación del grafeno de 5,000 yuanes por gramo a 3 yuanes por gramo, trayendo directamente una gran cantidad de pedidos de clientes extranjeros.

A principios de este año, el Instituto de Tecnología Verde e Inteligente de Chongqing de la Academia de Ciencias de China anunció la preparación de grafeno de una sola capa de 15 pulgadas y aplicó con éxito un electrodo transparente de grafeno a una pantalla táctil resistiva para preparar una pantalla táctil de 7 pulgadas. pantalla táctil de grafeno.

Vale la pena mencionar que los dos equipos de investigación anteriores han establecido conjuntamente una empresa de producción de grafeno profesional con Shanghai Nanjiang Group para producir microchips de grafeno y películas de grafeno, respectivamente.

El equipo de investigación de Changjun Zeng, el Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales a Microescala, ha adoptado un enfoque diferente. El crecimiento de grafeno convencional basado en una fuente de carbono gaseoso necesita reducir la alta temperatura de 1000 ° C a 300 ° C, creando la temperatura más baja para la deposición de vapor químico de grafeno.

Con la actualización de la tecnología de preparación de grafeno, las condiciones para la producción industrial también están madurando, y se cree que seguirán surgiendo nuevos productos hechos de grafeno en los próximos años, dijo Changyu Zeng.

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