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也许你不知道它们,但它们将改变世界!
2016 . 9 . 12
 


在世界经济论坛评选出的“2016年十大顶尖新兴科技”中,2-D材料可以被应用在从感测器到飞机机翼的所有东西上。这个最著名的单原子层材料 —— 石墨烯 —— 为科学家们打开了一扇新大门。

新材料可以改变世界,这就是青铜时代和白银时代的差别。而混凝土、不锈钢和硅造就了摩登时代。现在出现了一种由单层原子组成的新兴材料,并且具备无限的潜力。这些为人们所知的双向材料,在过去几年内不断发展,包含了碳(石墨烯)、硼(硼烯)、六方氮化硼(白石墨烯)、锗(锗烯)、硅(硅烯)、磷(磷烯)和锡(锡烯)的类晶格层。更多2-D材料虽未实际合成,但已被证明在理论上可行,比如从碳中合成石墨炔。每一个具备特殊属性的2-D材料都可以像乐高积木一样,相互组合变成更多的新型材料。

这场单分子层的革命始于2004年,两位科学家因用透明胶带创造了2-D石墨烯而闻名于世 —— 这大概是史上第一次,科学家用幼儿园课堂里的工具获得诺贝尔奖。石墨烯是一种比钢铁更坚固、比钻石更坚硬,也几乎比所有东西都轻、透明、柔韧的超快电导体。除了水蒸气,它不被任何物质的渗透,它的分子网可以让这些物质在其中自由流动。

在以前比金子更贵的石墨烯,因为生产技术不断提升,现在价格已经趋于稳定。六方氮化硼也开始商业化,走上了和石墨烯相似的发展轨迹。石墨烯已经足够便宜,所以用它来把水过滤,用作海水淡化污水处理,也能负担得起费用了。随着成本的持续下降,石墨烯也被添加在公路混合材料或混凝土中以净化城市空气 ——它可以吸收大气中的一氧化碳和氧化氮,这是石墨烯最显著的优点。

其他2-D材料将很可能和石墨烯一样,随着价格的下降被大量使用,并随着科技发展,它们本身的独特优势也会被开发,并大量使用于高价值的电子产品中。比如石墨烯,它用于制造柔性传感器而被缝在衣服上 —— 又可以利用3-D打印,直接通过添加剂制造技术将石墨烯打印在纤维织物中。当添加在聚合物中时,石墨烯还可以产生既坚固又轻便的飞机机翼和自行车轮胎。

六方氮化硼是由石墨烯氮化硼组合而成,能够提升锂离子电池和超级电容器的性能。通过在更小的容量中填充更多的能量,延长电池寿命,这个材料可以减少充电次数,也更轻便,可被应用于从智能手机到电动车的所有电子产品上。

每当一个新材料进入市场,毒性总是一个顾虑。针对石墨烯毒性的研究已经持续十年,到目前为止,还没有发现石墨烯会对人类健康或环境产生影响的问题,但是研究仍会继续。

2-D材料的发明已经为技术专家们提供了一系列强有力的工具。科学家和工程师正在积极地混合和重塑这些超薄混合物 —— 每一个都具有独特的光学和机械性能 —— 以生产定制化材料来优化应用的功能范围。钢和硅,是20世纪工业化的基础,看起来和原油的笨拙不相上下。

这个2016年十大顶尖科技系列的一部分,是与《科学美国人》合作开发的。

 

(顶图:一块石墨烯。Courtesy Getty拍摄。)

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也许你不知道它们,但它们将改变世界!

在世界经济论坛评选出的“2016年十大顶尖新兴科技”中,2-D材料可以被应用在从感测器到飞机机翼的所有东西上。这个最著名的单原子层材料 —— 石墨烯 —— 为科学家们打开了一扇新大门。

新材料可以改变世界,这就是青铜时代和白银时代的差别。而混凝土、不锈钢和硅造就了摩登时代。现在出现了一种由单层原子组成的新兴材料,并且具备无限的潜力。这些为人们所知的双向材料,在过去几年内不断发展,包含了碳(石墨烯)、硼(硼烯)、六方氮化硼(白石墨烯)、锗(锗烯)、硅(硅烯)、磷(磷烯)和锡(锡烯)的类晶格层。更多2-D材料虽未实际合成,但已被证明在理论上可行,比如从碳中合成石墨炔。每一个具备特殊属性的2-D材料都可以像乐高积木一样,相互组合变成更多的新型材料。

这场单分子层的革命始于2004年,两位科学家因用透明胶带创造了2-D石墨烯而闻名于世 —— 这大概是史上第一次,科学家用幼儿园课堂里的工具获得诺贝尔奖。石墨烯是一种比钢铁更坚固、比钻石更坚硬,也几乎比所有东西都轻、透明、柔韧的超快电导体。除了水蒸气,它不被任何物质的渗透,它的分子网可以让这些物质在其中自由流动。