中國成功折疊石墨烯，解決數(shù)十年世界難題，可用于改進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

中國成功折疊石墨烯，解決數(shù)十年世界難題，可用于改進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

我國科技進(jìn)程腳步不斷，將古老的折紙藝術(shù)帶入微觀世界，獲得新突破。同時(shí)，韓國同類研究也取得進(jìn)展，但其實(shí)際運(yùn)用局限于小小市場(chǎng)，到此差在哪了？

近日，中國科學(xué)家成功在不改變其性質(zhì)的前提下折疊了顯微鏡下的石墨烯。這使得世界各地的科學(xué)家數(shù)十年徒勞無功的嘗試取得了成功。據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)可用于改進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)和制造納米機(jī)器、量子機(jī)器等方面。

石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn):碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)電子生成sp鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。

中國科學(xué)家能折疊展開石墨烯片不會(huì)撕裂

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，折疊石墨烯并非難事。但這次研究中，折疊對(duì)象是只有單原子厚度的石墨烯。困難在于原子粒子受到量子力學(xué)的影響，其規(guī)律與我們的日常經(jīng)驗(yàn)相反。用通俗的方式來解讀，當(dāng)我們?cè)谡郫B這種微觀薄片時(shí)，很可能導(dǎo)致它不聽話地移動(dòng)或者直接一分為二。同時(shí)，相互靠近的兩個(gè)薄片總是會(huì)發(fā)生性質(zhì)的改變：雖然石墨烯僅僅是導(dǎo)體，但折疊它們時(shí)可以產(chǎn)生絕緣體或超導(dǎo)體。

而我國研究人員突破性地使用單個(gè)帶電原子彎曲超薄薄片，可以保持他們性質(zhì)不變，折疊和展開多次而沒有任何損壞；也可以調(diào)整至合適角度，使其性質(zhì)發(fā)生預(yù)期內(nèi)變化，比如超導(dǎo)體。

這意味著，與過去其他的實(shí)驗(yàn)（折疊是隨機(jī)或偶然發(fā)生的）不同，我國的新技術(shù)允許科學(xué)家以原子級(jí)精度控制轉(zhuǎn)換。

并沒有在論文中他們一些技術(shù)細(xì)節(jié)，這意味著他國科學(xué)家應(yīng)該無法通過閱讀論文來復(fù)制這個(gè)過程。他的保密行為屬于一種必要措施，以保持中國在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

新技術(shù)可以有一些關(guān)鍵應(yīng)用。例如，將一片石墨烯折疊成“魔角”將使其成為超導(dǎo)體——電子可在沒有任何阻力的情況下通過。這項(xiàng)技術(shù)可用于改進(jìn)計(jì)算機(jī)處理器的設(shè)計(jì)和制造。

目前，商業(yè)處理器是使用稱為晶片的大塊硅板制成的。但隨著晶體管等元件的尺寸縮小，提高計(jì)算機(jī)的速度和性能變得越來越困難。在幾年后，這項(xiàng)新技術(shù)將讓設(shè)計(jì)人員挑戰(zhàn)在原子層面上一個(gè)個(gè)構(gòu)建元件成為可能，為開發(fā)“夢(mèng)想芯片”提供更多自由。

另一方面，該團(tuán)隊(duì)希望他們的“折紙方法”可以幫助制造納米機(jī)器部件，例如石墨烯管和納米渦輪機(jī)的板材。在此基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)使用2D可調(diào)電子器件來制造石墨烯量子機(jī)器。

石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強(qiáng)度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會(huì)異常堅(jiān)固強(qiáng)韌。

與此同時(shí)韓國也在研究石墨烯。由韓國忠南國立大學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種新的石墨烯電極，用于在低溫下生產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池。然而其價(jià)值局限于提高新一代太陽能電池的商業(yè)化預(yù)期。

作為材料研究，與我國成果可用于改進(jìn)計(jì)算機(jī)處理器、幫助制造納米機(jī)器部件和石墨烯量子機(jī)器相比，其適用范圍十分狹窄（僅限這種新電池），并且對(duì)前沿的微觀物理研究無貢獻(xiàn)。同樣是研究石墨烯，中國解韓國所不能解，領(lǐng)先的不止一大步。

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