您需要了解的有关石墨烯的一切信息

探索石墨烯的迷人世界，这种材料因其独特的性能和在各行各业的潜在应用而被称为 “游戏规则的改变者”。在文章中，我们将介绍石墨烯的历史，从 2004 年发现和分离石墨烯，到目前成为 21 世纪最有前途的材料之一。文章还简要概述了石墨烯的主要特性，包括强度、柔韧性和导电性，并重点介绍了这种非凡材料的一些潜在应用。对于想进一步了解石墨烯及其在各行各业的潜在创新影响的人来说，这篇文章是一个极好的起点。

在本文中，您将了解到

• 什么是石墨烯？
• 你能看到石墨烯吗？
• 什么是纳米技术？
• 谁提出了纳米技术的定义？
• 什么是纳米材料？
• 发现石墨烯的历史？
  • 谁发现了石墨烯？
  • 石墨烯是如何被发现的？
  • 何时首次发现石墨烯？
• 石墨烯结构–你能打碎石墨烯吗？
  • 共价键
  • 几何形状
  • 稳定性
• 碳结构类型
• 碳的各种同素异形体（类型）？
  • 不同类型（同素异形体）碳的晶体结构
  • 婴儿潮–当碳的同素异形体加入这个大家庭时
  • 石墨烯和金刚石哪个更强？
  • 石墨烯与硅–谁堪称物理学界的猎豹？
• 石墨和石墨烯的区别
  • 石墨烯和石墨相同吗？
  • 石墨和石墨烯会燃烧吗？
• 石墨烯晶体结构–二维材料
  • 什么是二维材料？石墨烯是二维的吗？
  • 石墨烯是单层的

什么是石墨烯？

石墨烯是一种二维碳材料，由排列成蜂窝状晶格的单层碳原子组成。石墨烯是世界上最薄、最坚固、导电性最强的材料之一，因此在许多不同的应用领域都具有吸引力。

你能看到石墨烯吗？

是的，您可以看到石墨烯，但它是一层非常薄的薄膜，肉眼很难看到。石墨烯非常薄，其厚度只有一个原子，因此我们的肉眼是看不到的。

要观察石墨烯，最常使用的是透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）等电子显微镜，它们可以获得石墨烯表面的清晰图像。其他研究石墨烯的方法，如拉曼光谱法和表面电子反射法，也有助于石墨烯的表征和特性分析。

什么是纳米技术？

纳米技术是一个跨学科的科学和技术领域，涉及纳米尺度材料和器件的研究和设计。纳米是一个长度单位，等于十亿分之一米。

纳米技术利用极小尺度的材料和现象来创造新的先进技术和产品。石墨烯和纳米粒子等纳米材料因其独特的性能和在电子、医药、能源和材料科学等众多行业的应用潜力，成为该领域最重要的材料。

纳米技术是一个充满活力、发展迅速的领域，其应用及其对我们生活和经济的影响在未来将继续增长。

谁提出了纳米技术的定义？

纳米技术的定义是由诺贝尔物理学奖获得者 Richard Feynman 在其 1959 年的演讲 “There’s Plenty of Room at the Bottom “中提出的。在演讲中，费曼对纳米级的材料和现象提出了新的看法，并发起了一场关于纳米技术潜在应用的讨论。

尽管纳米技术的概念以前就已为人所知并被使用，但费曼在演讲中详细解释了纳米技术的含义及其潜在应用。他的演讲成为这一领域发展的重要参考，为纳米技术领域的进一步研究和发展奠定了基础。

对纳米技术的发展作出重要贡献的关键人物是日本东京理科大学的工程师和科学家谷口典雄。1974 年，他在《科学与技术》杂志上发表了一篇题为 “什么是纳米技术？”的论文，首次使用了 “纳米技术 “一词。他的论文是最早关注纳米技术的新机遇和新挑战的论文之一，推动了该领域的发展。

Norio Taniguchi 是纳米技术领域的先驱，他的工作有助于强调这项技术在电子、医学、材料科学等许多领域的潜在应用。他的工作是当代研究人员和工程师努力进一步开发和利用纳米技术的重要灵感来源。

纳米尺度–怎样才能看到它？

纳米级太小，肉眼无法看到。要看到它，您需要专门的工具，如电子显微镜。 电子显微镜可提供高分辨率图像，有助于分析纳米级材料的特性。

还有其他工具，如光学显微镜和原子力显微镜，也能产生纳米级图像。

总之，要观察纳米尺度，就需要使用电子显微镜等研究工具，以获得足够高的分辨率来观察纳米级的细节。

什么是纳米材料？

纳米材料的定义–这些材料的成分单位是纳米，即一米的数十亿分之一。纳米材料的特性往往不同于较大尺寸的同类材料，这也是它们被广泛研究并应用于各个领域的原因。

纳米材料的应用 – 纳米材料的应用范围广泛，包括电子、能源、医药、化学工业、复合材料等。例如，石墨烯等纳米材料正被用于制造更高效的电池和太阳能电池板，以及作为电子电路的元件。金纳米粒子在医学中用作药物载体和诊断工具。纳米银片被用作有效的防腐剂。

总之，纳米材料是具有不同于大尺寸材料特性的材料，可用于电子、医药、化工等许多领域。

发现石墨烯的历史

谁发现了石墨烯？

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的两位科学家于 2004 年发现的：安德烈-盖姆（Andre Geim）教授和科斯佳-诺沃塞尔（Kostya Novosel）博士。他们进行了一系列实验，证明在石墨层表面存在一层薄如石墨烯原子的层。

这一发现尤为重要，因为石墨烯是迄今发现的最薄、最坚固的材料之一，并具有许多独特的性能，如高导热性、高导电性和优异的机械性能。

盖姆和诺沃塞尔因这一发现获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。从那时起，石墨烯就成为纳米技术和材料科学领域最重要的研究对象之一，人们不断研究它的特性，并将其应用于许多不同的领域。

石墨烯是如何被发现的？

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的两位科学家于 2004 年发现的：Andre Geim 教授和 Kostya Novosel 博士。这一发现源于一系列研究晶体表面石墨层特性的实验。

在这些实验中，盖姆和诺沃塞尔注意到石墨层非常薄，可以分离出只有几个原子厚度的石墨层。在分离出这层石墨后，他们注意到这层石墨具有许多独特的特性，如高导电性、高导热性和优异的机械特性。

科学家已经证明这一层就是石墨烯，他们的发现具有划时代的意义，促进了许多新科技领域的发展，包括纳米技术和材料科学。

何时首次发现石墨烯？

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的两位科学家于 2004 年首次发现的：Andre Geim 教授和 Kostya Novosel 博士。

石墨烯结构–您能打碎石墨烯吗？

石墨烯的结构由单层碳原子组成，排列成二维六边形网格。碳原子通过碳-碳键相互连接，这使得石墨烯非常耐用，不易撕裂。

虽然石墨烯非常坚固，但并非坚不可摧，也会受到摩擦和撞击等机械力的破坏。然而，由于其独特的结构，石墨烯是世界上最坚硬的材料之一，其保持完整性的能力远远超过许多其他材料。

无论如何，石墨烯保持其完整性的能力对于包括电子和发电在内的许多需要强度和可靠性的应用都非常重要。

共价键

石墨烯是一种二维材料，由碳原子以六角晶格结构排列而成。石墨烯中的碳原子通过强共价键相互结合，共价键的特点是原子之间共享电子。

在石墨烯中，每个碳原子都有三个相邻原子，并通过介于碳原子 s 轨道和 p 轨道之间的 sp2 混合轨道与它们结合。sp2 混合轨道垂直于石墨烯平面，与相邻碳原子的轨道重叠，形成牢固的共价键。

这种强键赋予了石墨烯卓越的机械和热性能，包括高强度、高硬度和高导热性。 此外，石墨烯中独特的键合方式使电子具有高流动性，从而使其成为一种高导电性材料，有望应用于电子学和能源存储领域。

几何形状

石墨烯的几何特征是碳原子呈六角形排列在平面的二维薄片上。每个碳原子以 120 度角与相邻的三个碳原子结合，形成蜂窝状图案。石墨烯的六边形晶格结构是碳原子轨道sp2杂化的结果，从而产生了独特的键合和机械特性。

除了碳原子的六角形排列外，石墨烯晶格还具有平面几何结构，碳-碳键位于同一平面内。这种平面几何结构使石墨烯具有薄如蝉翼的结构，成为目前已知最薄的材料之一。

石墨烯的几何形状与其电子特性密切相关，因为碳原子的排列决定了电子在材料中的移动方式。这反过来又会影响石墨烯的导电性和其他电子特性，而这些都是石墨烯在电子、能源存储和其他领域潜在应用的重要因素。

稳定性

石墨烯被认为是一种高度稳定的材料，因为它的碳原子之间具有很强的共价键。石墨烯中碳-碳键的特点是原子之间共享电子，从而形成一个高度相互连接的键网络，为材料提供了稳定性。

此外，石墨烯中碳原子的六角形排列使得键的分布均匀，从而提高了材料的整体稳定性。石墨烯的稳定性还受到其平面几何形状的影响，碳-碳键位于同一平面内，这为材料提供了额外的支撑和稳定性。

不过，值得注意的是，石墨烯并非完全不会降解或分解。石墨烯的稳定性可能会受到暴露于高温、强化学物质或辐射等外部因素的影响。材料中的缺陷或杂质也会影响石墨烯的稳定性，从而破坏键的均匀分布，削弱材料的整体稳定性。

总体而言，石墨烯被认为是一种高度稳定的材料，但某些环境条件或材料中存在的缺陷会影响其稳定性。

碳结构类型

碳结构有多种类型，包括

1. 石墨烯：它是一种二维晶体碳材料，由单层六角形结构的碳晶粒组成。
2. 碳纳米管：这是一种一维圆柱形碳结构，由一层或多层石墨烯卷成管状组成。
3. 碳纳米颗粒：这是准一维碳物体，如富勒烯或石墨量子点，分别由一层球状石墨烯或几层石墨烯组成。
4. 晶体石墨：这是一种三维结构的碳，由数十亿层石墨烯堆叠而成。

根据其结构和组成的不同，这些不同类型的碳具有不同的特性和用途。石墨烯因其独特的机械、电气和电子特性而闻名于世，这些特性使其在电子、能源、医药和材料科学等领域有着广泛的应用。

根据晶体结构，碳结构可分为三种类型：无定形碳、晶体碳和多晶碳。

1. 无定形碳：无定形碳是指没有长程有序、缺乏明确晶体结构的碳材料。它们的碳原子排列随机而无序。无定形碳的例子包括煤、炭黑和烟尘。
2. 晶体碳：晶体碳是指具有明确晶体结构的碳材料。碳原子在空间中以重复模式排列，形成三维重复晶格。晶体碳的例子包括金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管和富勒烯。
3. 多晶体碳：多晶碳是指具有由多个小晶域组成的马赛克状结构的碳材料。它们介于无定形材料和晶体材料之间，具有受两者影响的特性。多晶碳的例子包括活性碳和某些类型的碳纳米管和石墨烯。

碳的各种同素异形体（类型）？

不同类型（同素异形体）碳的晶体结构：

碳是一种化学元素，可以以几种不同的形式存在，称为同素异形体。 下面是其中的一些：

1. 钻石–它是最著名、最耐用的碳元素。它具有极其坚硬和耐用的机械性能，是工具和珠宝等许多应用领域的绝佳材料。
2. 石墨 – 与金刚石相比，石墨是一种非常软脆的碳。石墨是热和电的良好导体，是制作铅笔和电池的极佳材料。
3. 无定形碳–这是一种没有晶体结构的碳，通常由碳质碳制成。无定形碳通常用作空气过滤器和水过滤器的材料。
4. 富勒烯（富勒烯）–这是碳的衍生物，呈球形颗粒状。由于其独特的性质和在纳米技术领域的潜在应用，富勒烯被认为是最有趣的碳形式之一。
5. 石墨烯–这是一种二维碳层，是世界上最薄、最坚固的材料之一。石墨烯被认为是过去几十年中最重要的发现之一，在电子、能源和医药等许多不同领域都有潜在应用。
6. 碳纳米管（又称 CNT）是碳的同素异形体之一。它们是由单层石墨烯卷成的圆柱形结构。碳纳米管具有独特的性能，使其在电子学、能源储存和材料科学等多种应用领域具有吸引力。它们具有高机械强度、高导电性和导热性，以及独特的电子特性，是各种应用的理想选择。碳纳米管可通过多种技术合成，包括化学气相沉积、高压一氧化碳转化和激光烧蚀。

婴儿潮–碳同素异形体何时加入大家庭？

富勒烯又称降压球，于 1985 年由莱斯大学的理查德-E-斯马利、小罗伯特-F-库尔和哈罗德-W-克罗托首次发现。他们因发现这种新形式的碳而于 1996 年获得诺贝尔化学奖。富勒烯是由 60 个或更多碳原子组成的球形或椭圆形碳分子家族。它们是由碳在高温激光蒸发过程中发生反应而形成的。富勒烯的发现拓展了人们对碳同素异形体的认识，为材料科学、化学和纳米技术的研究开辟了新途径。

1991 年，日本 NEC 公司的研究员饭岛 Sumio 发现了碳纳米管。碳纳米管是石墨烯的圆柱管，管壁由单层碳原子组成。碳纳米管具有独特的机械、电气和热性能，可广泛应用于电子、能源存储和复合材料等领域。碳纳米管的发现是碳同素异形体研究中的重要一步，并带来了纳米技术和材料科学的诸多进步。

2004 年，时任英国曼彻斯特大学研究员的 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 首次将石墨烯分离并确定为单层碳原子。他们对石墨烯的研究发现了石墨烯独特的电子和机械特性，包括高导电性和抗拉强度，这使得石墨烯成为一种具有广泛应用前景的材料，如电子、能源存储和复合材料。石墨烯的发现具有划时代的意义，盖姆和诺沃肖洛夫因其开创性工作而于 2010 年获得诺贝尔物理学奖。

石墨烯和钻石哪个更坚硬？

不，石墨烯并不比金刚石更坚硬。钻石是人类已知最坚硬的材料之一，莫氏硬度为 10，而石墨烯并不是坚硬的材料，莫氏硬度约为 2-3。

然而，石墨烯还具有其他独特的特性，例如高导电性、机械强度、柔韧性和透明度，使其成为一种可用于各种应用的极具吸引力的材料。此外，石墨烯还具有大表面积和高导热性，这使其在能量存储、电子和复合材料等应用中大显身手。相比之下，金刚石具有优良的导热性、高折射率和化学惰性，因此可用于各种工业和科学应用。

因此，虽然石墨烯并不比金刚石更坚硬，但它仍然具有独特的特性，使其成为一种可用于多种应用的宝贵材料。

石墨烯与硅–谁能被称为物理学界的猎豹？

石墨烯以其高电子迁移率而闻名，其迁移率是硅的 100 倍。这种高迁移率得益于石墨烯独特的电子结构，它能让电子在材料中快速移动，而不会产生太多散射。 这使得石墨烯成为电子学和光子学等需要高速、高效电荷传输应用领域的一种极具吸引力的材料。

石墨烯和硅是两种性质不同的材料，在电子学和材料科学领域经常被拿来比较。硅是电子工业中应用最广泛的材料，也是现代微电子革命的基础。另一方面，石墨烯是一种相对较新的材料，以其卓越的机械、电气和热性能而著称。

由于石墨烯具有其他材料无法比拟的高载流子迁移率和高热导率，因此常被冠以 “物理学猎豹 “的绰号。不过，需要注意的是，硅和石墨烯的特性是互补的，两种材料各有优缺点。硅在电子工业中应用广泛，地位稳固，而石墨烯仍处于商业化进程中，尚未找到自己的市场定位。

石墨和石墨烯的区别

石墨烯和石墨是一样的吗？

不，石墨烯和石墨是不同的材料，但都由碳原子构成。石墨是一种天然的三维碳材料，由一层层薄而扁平的碳原子块组成，排列成六边形晶格。另一方面，石墨烯是一种二维碳材料，由单层薄而扁平的碳原子块组成，这些碳原子块通过强大的内聚键固定在一起。在实践中，石墨烯是由单层石墨切削而成，并与其他层分离。

石墨和石墨烯会燃烧吗？

是的，石墨在空气和极高温度下可燃。其熔化是由于与空气中的氧气发生化学反应，从而形成二氧化碳和水蒸气。因此，石墨在碳中用作热源，在某些电池和电热设备中用作电极。

石墨具有很强的耐火性。燃烧石墨需要高温。石墨的熔点约为 3600°C，闪点约为 4500°C。这意味着石墨在开始燃烧之前可以承受很大的能量。实际上，石墨很难燃烧，因为它需要非常高的温度。

石墨烯在空气/氧化物存在下非常易燃。石墨烯在温度低于 400 摄氏度时会燃烧，在 350 摄氏度时开始燃烧。

石墨烯晶体结构–二维材料

石墨烯是碳原子的单层排列，扁平而分散。石墨烯的晶体结构为六角形，由连续排列的碳原子组成。石墨烯中的每个碳原子都通过强 sp 键与其他三个碳原子相连。因此，每个原子的两面都与其他碳原子相连，从而使石墨烯具有很高的强度和硬度。在这种晶体结构中，每个碳原子都与其他六个碳原子相连，从而使石墨烯成为最坚固、最耐用的材料之一。

什么是二维材料，石墨烯是二维材料吗？

二维材料是只有一层或几层原子厚度的二维材料。与三维材料不同，二维材料的维度较小，因此具有独特的性能，并有可能应用于电子、能源和生物医学等领域。一些著名的二维材料包括石墨烯、过渡金属二卤化物（TMDCs）和黑磷。这些材料具有很高的表面积与体积比，其中一些还具有高导电性和高机械强度，因此在各种应用中都很有吸引力。

石墨烯是单层的

单层石墨烯是指单层石墨烯，石墨烯是一种二维材料，由按六方格排列的碳原子组成。单层石墨烯被认为是其他石墨烯结构（如少层石墨烯和体石墨烯）的基本组成部分。单层石墨烯具有高导电性、高机械强度和高导热性等独特性能，使其成为一种具有广泛应用前景的材料，包括电子、储能和传感。单层石墨烯还被认为是研究二维物理学的理想平台，因为它的低维度可以观测量子效应。