石墨烯——多才多艺的神奇材料
2010年，瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)联合将诺贝尔物理学奖授予曼彻斯特大学(University of Manchester)的安德烈·海姆爵士(Sir Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃谢洛夫爵士(Sir Konstantin Novoselov)，以表彰他们“在二维材料石墨烯方面的开创性实验”。但石墨烯到底是什么，又是什么让它如此特别?
报告：Sascha Keutel
自1859年以来，对石墨烯的研究一直是断断续续的，但2004年，海姆和诺沃谢洛夫从一块普通铅笔中的石墨中发现并提取了石墨烯，这是石墨烯研究领域的最大突破。在现在被称为“透明胶带法”的方法中，他们用普通的胶带获得了只有一个原子厚度的碳薄片。当时，人们认为如此薄的晶体材料是不可能稳定的。
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更强大，更薄，打火机
薄的材料作为单个原子层被称为二维，或2D材料 - 其中石墨烯可能是最着名的。它是由布置在六边形晶格中的碳原子组成的原子晶体。多功能材料具有一系列独特而优秀的特性。它被认为是最薄的（大约0.34纳米），最强的（比钢的100-300次）和发现的最轻的材料（重约0.77毫克/平方米）。它也是最可拉伸的晶体之一：它可以拉伸高达20％的初始尺寸而不会破坏它。它也是非常不透水的;实际上它是如此密集，即使氦气，最小的气体原子也不能通过它。
最近，哥伦比亚大学和华盛顿大学的一组研究人员发现，在三层石墨烯结构中可以产生各种奇异的电子态。这项工作的灵感来自于之前对石墨烯扭曲单层或扭曲双层的研究，其中包括两张或四张薄片。这些材料被发现含有一系列不同寻常的电子态，这些电子态是由电子之间的强烈相互作用驱动的。”我们想知道如果我们将单层石墨烯和双层石墨烯组合成一个扭曲的三层体系会发生什么，”哥伦比亚大学物理学教授Cory Dean说。我们发现，改变石墨烯层的数量可以赋予这些复合材料一些前所未有的令人兴奋的新特性。”
该团队还发现了系统中新的磁态。他们观察到，与传统磁体不同的是，传统磁体是由电子的量子力学性质“自旋”驱动的，该研究小组的三层结构中，电子的集体旋转运动构成了磁性的基础。
最近，其他研究人员在氮化硼晶体上的各种石墨烯结构中发现了这种形式的磁性。该团队现在已经证明，它也可以在一个完全由石墨烯构建的更简单的系统中观察到。”纯碳没有磁性，”华盛顿大学的助理教授马修·扬科维茨说。值得注意的是，我们可以通过将三张石墨烯片以正确的扭曲角度排列来设计这种特性。”
除了磁性，研究还发现了该结构的拓扑特征。类似于将不同类型的绳结,拓扑性质的材料可能会导致新形式的信息存储,这“可能是量子计算平台或新型的节能数据存储应用程序,”徐小东华盛顿大学的教授说。
石墨烯墨水可以为皮肤传感器提供柔性且可穿戴的皮肤传感器
石墨烯在创造新材料和创新电子产品的制造中具有各种实际应用。例如，石墨烯的强大和灵活性使得柔性显示器和可弯曲电池成为可能。由于它实际上是透明和良好的导体，因此石墨烯适用于生产透明触摸屏或光面板。
石墨烯由于其表面积大、导电性高、独特的光学性能和高导热性，非常适合下一代可穿戴设备和传感器的开发。石墨烯的生物相容性使其能够用于生物传感器，能够检测DNA或葡萄糖、谷氨酸、胆固醇、血红蛋白等分子。
阿肯色州大学的物理学家团队成功开发了一种能够捕获石墨烯的热运动并将其转换为电流的电路。“基于石墨烯的能量收集电路可以合并到芯片中，为小型设备或传感器提供清洁，无限，低压功率，”发现的物理学教授和领导研究员Paul Thibado说。
韩国大邱京畿道科技研究院的研究人员开发了一种低成本的能量存储装置，可以有效地随着其他电子设备提供柔性和可穿戴的皮肤传感器，铺平了往返远程医疗监控和诊断和可穿戴设备的方式。它们成功的键在特定角度和温度下将特定量的石墨烯墨水喷射到柔性基板上。
它们以45°角和80℃的温度将10毫升的石墨烯墨水喷涂到柔性基材上。这导致形成多孔，多层电极。该团队的微型超级电容器薄为23微米，比纸更薄十倍，并在10,000弯曲后保持其机械稳定性。它可以存储每平方厘米的8.4微小的电荷（比今天报告的值高2倍），并且每公斤约1.13千瓦的功率密度（比锂离子电池高4倍）。该团队证明它可用于粘附在皮肤上的可穿戴设备中。“我们的作品表明，可以减少微型超级电容器的厚度，以便在柔性器件中使用，而不会降低其性能”，材料科学家Sungwon Lee表示。
生物医学应用
石墨烯的固有特性使其非常适合于多种生物医学应用，如疾病和肿瘤检测、药物输送或组织工程。
来自曼彻斯特大学的跨学科研究团队开发了一种新的基于石墨烯的疾病相关抗体测试系统，最初针对的是一种名为膜性肾病的肾脏疾病。这种新型仪器基于石英晶体微天平(QCM)原理，结合石墨烯基生物界面，为目前可用的抗体检测提供了一种廉价、快速、简单和灵敏的替代方案。”我们的研究有可能使各种疾病的抗体检测更广泛使用,在护理点像医生诊所或者养老院,而不仅仅是在专业的测试中心,“Aravind Vijayaraghavan博士说,从曼彻斯特大学,谁是这个项目的主要研究者之一。
战斗covid-19
石墨烯将在抗击新冠肺炎中发挥重要作用。曼彻斯特大学纺织科学与工程学院院长李毅教授表示，智能面料的使用将在帮助我们抵御新冠病毒方面发挥关键作用。他说，可穿戴技术在“检测、测试和诊断”方面也发挥着至关重要的作用。
李毅解释说，通过将电子纺织品天线和以石墨烯或其他2D材料为特征的织物传感器结合起来，就有可能创造出一种可穿戴设备，以监测不同类型的生理健康指标，如呼吸频率、心率、体温和出汗频率。然后，可以使用与基于云的数字健康服务相连接的适当手机应用程序，对这些生物数据进行评估，并将结果反馈给个人。这可能有助于监测个人的健康状况，而且，如果获得许可，这些数据可以更广泛地用于为公共卫生观察员提供关于病毒潜在传播或消退的实时指标，帮助他们更好地管理公共卫生应对措施。
