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观点丨石墨烯六大细分新兴行业,透析其不同凡响的时代价值

作者:王小山来源:江南石墨烯研究院  网址:http://mp.weixin.qq.com/s/wkxOp8KmeEdb2GcQT2dVQQ
导读

说到石墨烯,大家都很熟悉。它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“新材料之王”。科学家甚至语言,这种材料将会彻底改变21世纪。


日前,新材料被纳入七大战略性新兴产业中。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提到,国家将提高新材料基础支撑能力,推动新材料产业提质增效,以应用为牵引构建新材料标准体系,促进特色资源新材料可持续发展和前瞻布局前沿新材料研发。


在前瞻布局前沿新材料研发这个任务的详细说明中,突破石墨烯产业化应用技术,拓展纳米材料在光电子、新能源、生物医药等领域应用范围,开发智能材料、仿生材料、超材料、低成本增材制造材料和新型超导材料,加大空天、深海、深地等极端环境所需材料研发力度,形成一批具有广泛带动性的创新成果。



极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命的石墨烯,真的有那么神奇吗?我们从六大细分的新兴行业来透彻分析一下,石墨烯的不同凡响的时代价值。


石墨烯→智能汽车


2016年,全球第一台使用石墨烯作为车身材料的汽车在曼彻斯特亮相。这辆汽车是由利物浦的Briggs汽车公司制造的。Briggs汽车公司在其品牌产品BAC MONO单座跑车的车身中使用了石墨烯材料,这种材料强度是钢的200倍,被誉为未来最有潜力的技术之一。



石墨烯材料的强度是钢的100倍,具有较高的强度和硬度,但其密度较低,质量较轻,是理想的汽车轻量化材料。将石墨烯作为增强相开发的轻质复合材料可用作汽车车身材料。


石墨烯复合材料除了作为车身材料,在汽车零部件领域也可以得到应用。比如,汽车轮胎。将石墨烯材料加入到汽车轮胎中可使得轮胎更加耐磨、防穿刺,而且能大大提高使用寿命。


石墨烯的热传导率高达5300W/m·k,将其与导热性高聚物复合可制成强度高、导电导热性好、质量轻的优质复合材料。石墨烯的超二维纳米结构可以保证热量在加热区域内的均匀释放,可用于汽车加热座椅材料。


石墨烯具有较高的化学稳定性,表面疏水,耐酸碱化学腐蚀。有研究将石墨烯喷涂于钢表面,浸泡于海水中可以保持一个月不生锈,而普通高性能涂料仅能维持几天时间。因为石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构,可以将其运用于车用涂料领域,提高防腐效果。


在汽车燃油供给系统中,以快速紊流方式流动的燃油能产生静电,用于燃油供给系统的部件(包括油箱,油管接头,过滤器等)需要其导电率能阻制静电堆积,消除火花、爆炸等危险。目前,以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成功应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能,且制备成本更低,完全可以用于导电功能塑料领域。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面,方便车身的静电喷涂,省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。


在电车领域,石墨烯也是一种非常好的电动汽车储能材料。目前,电能的储存装置有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池。大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性,对石墨烯的需求也是非常大的。


石墨烯→无人机


石墨烯质轻、坚固、导热、导电的特征明显,非常适用于无人机领域。它是世界上最薄的材料,其厚度只有头发丝的几十万分之一,但坚实程度却是钢的200倍。


2015年,中央兰开夏大学和英国国家石墨烯研究所共同研发了一架机翼附有石墨烯涂层的无人机。石墨在无人机产业甚至整个航空产业的价值主要表现在:一防腐,可以防止设备生锈。二、质轻、坚固,可以减少机身重量、降低雷击所造成的损坏,提高燃油效率,进而延长航时。三、可以加大锂离子电池的寿命。该无人机的研发人员称:“我们的目标是研究石墨烯在减阻、雷击保护以及其他方面的价值。石墨烯在航空领域有很大的潜力,它的坚固令人难以置信,却又非常轻便灵活。



未来,在航空领域,石墨烯的前景也是值得期待的。


石墨烯→机器人


由于石墨烯优良的坚硬性、导热性及导电性,在电池,涂料等方面都有许多应用,如今石墨烯的应用又多了一种:用来做机器人的人造皮肤,甚至还有自愈功能。


日前,印度理工学院的研究人员认为,纳米材料可应用于制造机器人皮肤上的灵活传感器,这种传感器能模仿人体皮肤的自愈功能。只有纸张百万分之一厚度的石墨烯是由纯碳原子构成的薄片,它是目前世界上最硬的材料。



皮肤是人体最大的器官,皮肤有自愈功能也是众所周知的。由于机器人要承受前所未有的拉伸和弯曲强度,以及偶然的划伤,所以破裂及裂缝对机器人的人造皮肤影响很显著。


研究人员使用石墨烯制造出的一种亚纳米级的传感器,无论是在裂缝刚开始形核时,还是在其已经扩展到一定长度时,这种传感器都能感知到。


“通过使用分子动力学模拟,我们希望观测出单层石墨烯在原始状态和缺陷状态下的自愈行为,以及它应用在亚纳米级传感器上时的破裂点”。文章的主要作者Swati Ghosh Acharyya博士还说道:“不需要任何外部刺激物以及室温条件,我们也能够记录石墨烯中裂缝的自愈行为”。


研究人员表明,只要处于临界裂缝张开位移极限内,自愈行为就能通过悬空键的自发重组发生。


在实验过程中,研究人员将单层石墨烯单轴拉伸直至破裂,这些单层石墨烯含有各种缺陷,包括先前存在的空穴和不同位相的裂缝。


而不管石墨烯片中预先存在的缺陷的性质如何,一旦停止负荷实验,石墨烯便开始愈合,并且自我愈合持续进行。而且,无论裂纹多长,只要原始薄片材料或预先存在缺陷的薄片材料的临界裂缝开口距离在0.3-0.5nm,石墨烯就能自愈。模拟自愈功能具有广泛的日常应用,包括传感器、移动设备以及超级电容器。


石墨烯→智能穿戴


石墨烯应用在智能穿戴领域,是非常直观的。这来源于它的柔韧度,尤其是服装领域。



这种产品有三个优势:


第一是石墨烯与纺织物的结合。将石墨烯与纺织物做深度结合,材质柔软,利用石墨烯材质的导热性、稳定性和超导性,以加热功能作为功能性服饰的切入口,通过5V安全电压和APP,为服装提供加热功能。在很低的电压下,石墨烯可以非常高效地发热。而石墨烯发热时产生的光,频率正好与我们过去使用的频谱仪的频率相似,可以改善人体的血液循环状况、新陈代谢,有非常多的好处。同时因为使用的电压很低只有几伏,非常的安全。


第二是研发“石墨烯纺织物传感器”。这种传感器附着在布料上,不仅没有负赘感,同时可以水洗。通过衣服上的石墨烯传感器,可以收集非常多的人体生理指标,包括血压、温度等等,甚至由于接触面积较大,还能测出心电图这种平常难以收集的数据。


第三是大数据。因为衣服不同于手环,是人人必须穿戴的,可以有效地进行大数据挖掘,为智能穿戴提供很好的样本产品。不仅能够便于用户进行健康管理,同时还可以为传统公司实现用户的解读和帮助进行销售配货。


石墨烯→健康医疗


应用于生物医疗领域,如药物传送、癌症治疗和生物传感等,目前研究人员已经对石墨烯在进行相关研究。石墨烯拥有许多独特的属性,如更大的表面积、生物适应性和化学稳定性,这使得石墨烯具有极大的研究潜力。


人工植入设备是当前医疗市场的一个主旋律,将来石墨烯可能在这些设备中扮演极其重要的角色。石墨烯的生物适应性和机械强度可用于制作各种复合生物材料;其导电性可用于需要该属性的器官,如神经组织和脊髓元素。例如,密歇根理工大学研究人员将石墨烯引入3D打印神经组织已取得进展。该团队开发出一种高分子材料来培养组织,利用石墨烯作为导电体。


生物传感是一项正在快速发展的新技术,有潜力应用到许多医疗应用领域,而石墨烯在检测食品毒素、环境污染、特定病菌和细菌等方面拥有独特的优势。例如,将石墨烯氧化物附着在特定毒素的类似于蛋白质的结构上可产生一个增强信号,以便高敏感传感器检测到毒素,其检测能力相当于普通传感器的10倍。此外,在利用传感器预测心脏病发作方面,石墨烯氧化物还能检测到血液中的特定微粒子,而这些微粒子是在心脏病发作前释放的。当前,基于石墨烯的类似传感器已在研发之中,主要用于检测多种疾病、毒素和生物标记。



石墨烯还拥有极大的潜力来检测和治疗癌症。在检测方面,中国的科学家们已经开发出了基于石墨烯场效晶体管的单细胞传感器,甚至能检测出单一癌细胞。而英国曼彻斯特大学研究人员发现,石墨烯氧化物可作为一种抗癌药剂来对抗特定癌细胞。配合当前的疗法,可能使肿瘤收缩,遏制癌症发展速度,以及治疗后的复发。


石墨烯还被广泛研究用于癌症药物的传送,这主要得益于其较大的表面积允许将大量药物传送至体内的特定区域。除了用于癌症检测和药物传送,石墨烯本身也被研究作为一种抗癌药剂。例如,利用其热传导特性将非电离的无线电波转换成热能,杀死癌细胞内的蛋白质和DNA。


当前DNA测序的重要性日益凸显,它不仅能对人类构成有更深入地了解,还能进一步了解遗传性疾病、癌症类型和人体免疫系统。而基于石墨烯的DNA测序通常需要创建一个石墨烯薄膜,将其浸入导电流体中,在一端加电让DNA分子经过石墨烯的小孔,从而让科学家读取DNA序列。该技术被称为“纳米孔DNA测序”,其特点是读取快,测序成本低。


纳米医学目前尚处于初期发展阶段,同样石墨烯在医疗市场的应用也处于早期发展阶段。但它有潜力进入许多医疗领域,并带来革命性变化。现在我们要做的是鼓励更多的研发项目,以确保将来出现更有效、更持久的预防和治疗方法。


石墨烯→VR/AR


对于部分VR头显以及AR头显来说,就像手机一样,未来续航也是一件非常重要待解决的问题,例如谷歌的Daydream VR平台等都需要能够有长时间续航保障的电池技术才得以更好的体验VR/AR,现在来看,石墨烯电池技术似乎能够很好的解决这一问题了。


据悉,石墨烯电池拥有快速充电的能力,5000毫安电量也只需要15分钟便可充满。而这项新科技也完完全全可以在未来运用到VR/AR当中,比如对正在开发中的神秘公司 Magic Leap 的MR眼镜来说,未来石墨烯电池技术或许能够让他们做到更加轻薄,充电更快,续航更持久。



据悉现在国内外已经有很多厂商开始大力研发石墨烯电池了,VR改变我们的生活,也许石墨烯会改变VR。



资料来源:中航爱创客

小编:王小山


文章分类: 行业新闻
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