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速度与激情:石墨烯贴膜令车身更坚固
来源:未知 编辑:admin 时间:2013-10-14 点击:
    在科幻电影《速度与激情6》中,影片中的赛车不断与桥墩相撞,但相互高速碰撞后,汽车的车身也不会变形。这说明什么呢?这说明影片中的赛车全是改装车,坚固的车身上很可能被加覆了一种力学性能特别好的材料,那么这可能是什么材料呢?理论上可以用石墨烯给汽车贴膜来实现这种性能。
 
    答案是石墨烯,这个东西在股票市场也是一个最新的新潮流概念,所以能引起大小庄家的不段炒作,不少散户也对此进行了跟风研究。为什么可以炒作这个概念?这是因为石墨烯材料有许多良好的性质,比如电阻很小,透光性好――可以覆盖在手机或者平板电脑的触摸屏上。而且这个新材料的强度是最优质的钢铁的强度的100倍。正因为有如此的高强度,所以有科学家建议做一个太空绳梯,将月球与地球用这种碳材料连接起来。在刘慈欣的科幻小说《三体》中,也有用纳米丝切割轮船的描述,这种纳米材料应该也有类似于本文提到的石墨烯那样具有高强度的结构――它叫作碳纳米管,是石墨烯的堂兄。
 
 

 
石墨烯的平面晶体结构,每个基本单元是六边形
 
    那么,这个高强度是怎么产生的呢?我们知道,金属是由原子组成的,原子与原子之间存在相互吸引的力,这个力由金属键产生。而石墨烯是由非金属原子――也就是碳原子组成的。最早是在2004年,英国的诺沃肖罗夫教授和盖姆教授就首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层,之后将其放在硅片上并借助原子力显微镜进行观察并进行确认。
 
 

 
原子力显微镜
 
    一片石墨烯能够承受相当于一头大象的重量。计算结果显示,如果一头大象站在铅笔的末端才能凭借体重刺破石墨烯薄膜――石墨烯是由碳原子间的通过共价键联系起来的二维薄膜,它的键能够达到每摩尔357千焦,厚度为0.35纳米,因此其强度能达到钢的100倍。
 
    每摩尔357千焦的意思是说,想要打破一摩尔的石墨烯膜片,需要357千焦的能量。我们知道,一个成年人的质量大约是50千克,在地球上的重力是500牛顿,如果将这个成年人提高1米,所需要的能量是500焦尔。因此357千焦的能量可以把这个人提高到357000/500=714米。实际上,这个高度已经接近世界第一高楼――828米高的迪拜塔了。
 
    另外值得一提的是,对于化学键能的计算需要用到量子化学的知识,一般需要用计算机来模拟计算,靠人力是很难算出来的。用这种高强度的二维材料通过贴膜的方式覆盖到车身上,那么当汽车以高速撞上桥墩的时候,其结局只有一个,那就是这辆车没有变形,但桥墩裂开了。
 
    石墨烯其实就在我们身边,在铅笔划痕中就有石墨烯,当你用铅笔在纸上书写时,铅笔痕中就很可能有数十层甚至上百层石墨烯。大家都知道,铅笔是有石墨加粘土制成的。石墨含量越多,字迹就越黑,6B铅笔芯是由80%石墨加20%粘土制成,字迹越黑表示字迹中石墨烯的层数也就更多。
 
 

 
铅笔里的石墨的结构是层状的,相当于多层的石墨烯
 
    2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授盖姆的研究小组,用机械剥离的简单方法第一次得到并观测到自由且稳定存在的单原子层的石墨,证明了二维单原子层薄膜材料不但存在,而且可以制备出来,单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即只有0.335纳米,这一厚度约为头发的20万分之一。但事情的发展并不一帆风顺,早在上世纪30年代,苏联物理学家朗道等物理学家认为,任何准二维晶体中的原子由于其本身的热力学不稳定性,将偏离晶格位置,导致在有限温度下都不可能稳定存在。
 
 

 
石墨
 
    这个关于热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在的定理就像孙悟空头上的紧箍咒,束缚了物理学家们的思维,使物理学家从此相信,要想制造出二维原子系统是不可能的事情。二维是一个很神奇的维度,在数学领域,我们可以证明,在二维空间是没有电磁波的,因为麦克斯韦方程中的旋度算只能在三维空间内定义。类似的结论还有,在二维空间是不可能存在湍流的。
 
 

 
石墨烯的网络结构会在三维空间波动,波动产生结构的稳定性
 
    因此,当盖姆的研究小组制造出来了单原子层的石墨(这里的关键词是“单层”,也就是只有一个原子直径的厚度的一层薄膜)时,理论界不得不找寻新的解释。与之前的理论可以相符的解释是,当这些二维晶体在从三维体材料上剥离出来时,退灭到亚稳态上,而它们较小的尺寸(≤1mm)和原子间强烈的作用力使热扰动不足以产生晶格位错和缺陷。另外,剥离出的二维晶体在第三维度上通过轻微的褶皱(褶皱的横向尺度为10nm)保持自身的稳定:褶皱提高了弹性能量,抑制了热扰动,在一定温度下可以将总自由能最小化。现在普遍认为,石墨烯能够在室温下的三维空间稳定存在是因为原子层石墨并不是平铺在基片上,而是会形成水纹状,这类似于我国浙江省千湖岛状的坑的结构。虽然石墨烯膜的厚度小,只含有单层碳原子,但是它们特别稳定。
 
    大约在1998年,有一个概念非常火热,那就是足球烯。这是一个像足球一样的笼子的结构,其中有60个碳原子在空间排列。这是一个三维结构,它在当年被发现的时候震惊了整个世界。我们甚至可以通过数学领域的欧拉定理,算出这个足球烯上应该有多少个五边形,以及有多少个六边形。足球烯是一个笼子,所以很多科学家可以用这个笼子来囚禁其他离子,从而束缚住离子的热运动――也就是离子冷却。但是,这个囚禁离子的技术只属于学院派,对于民间的应用需求来说,足球烯还很遥远。
 

 
石墨烯的一个亲戚,足球烯,它具有三维笼状结构
 
    基于同样道理,石墨烯是一种二维材料,这个材料真的能应用到车身改装吗?如果真的可以,那么这会是一个巨大的产业,因为汽车零配件市场是一个3000亿美元级别的大市场。
 
 

 
显微镜下的石墨烯
 
    我们从A股市场也可以看出,现在有石墨烯概念股不少,比如中泰化学(002092.SZ)、中国宝安(000009.SZ)、银基发展(000511.SZ)、力合股份(000532.SZ)、金路集团(000510.SZ)、江海股份(002484.SZ)、中航三鑫(002163.SZ)、南都电源(300068.SZ)和方大碳素(600516.SH)。但目前还没有见到石墨烯可以被用于车身改装的报道,其原因何在呢?
 
    虽然大家都知道,只有一个碳原子厚度的石墨烯,其硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高,而且有很好的韧性,可以发生一定程度的弯曲,这个材料如果用到汽车上绝对是天作之合。如果要覆盖汽车的车身,需要多少石墨烯呢?石墨烯的厚度超薄,一克石墨烯被展开分布后就有2500平方米的面积。一辆家用小轿车的表面积大概是5平方米,因此将其车身铺满只需要2微克石墨烯,这样的用量是极少的,那为什么我们的汽车表面还未被覆盖上一层石墨烯呢?
 
    原因就在于,一般的石墨烯的薄膜,顾客可以承受的价格是每平方米5000元到5万元这个区间。但实际上,每小块薄膜都只有大约几平方厘米那么大――也就是普通手机屏幕那么大。在这个成本区间,在工艺上很难做到几平方米那么大的膜。所以如果用这种小膜以拼接的方式去贴满车身,表面会留下很多间隙,这样车身抗撞击的能力依然没有得到加强。另外,一个最关键的因素是,这种薄膜需要贴覆在碳或者硅的基底上,不能直接贴覆在车身钢板上,因为这样无法与车身表面紧密贴合。
 
 

 
石墨烯如果给汽车贴膜,可以产生很高的抗撞击性能
 
    总之,按照现在的工艺水平,我们还不能把石墨烯直接应用在汽车贴膜上用来提高车身的抗撞击能力,虽然这项新技术在科幻电影中可能早已经被运用了,但事实上,当今的石墨烯概念依然有很浓厚的学院派氛围,其实际产业应用效果可能还比不上汽车太阳能动力技术。因此,用石墨烯来给车身贴膜,是未来一个可能应用的方向,但其工艺问题还需要进一步研究才能解决。相信总有一天,我们的汽车也会想《速度与激情6》中的改装车那样坚固。

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