石墨烯新材料进展：新材料之王-石墨烯的优异性能和广泛应用

石墨烯新材料进展：新材料之王-石墨烯的优异性能和广泛应用二、石墨烯广泛应用在生物相容性方面，羧基离子可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。在光学性能方面，石墨烯具有高透光性(单层吸收3.2%)，看上去几乎是透明的，利用高透光性和低电阻率可以开发透明导电膜、光电膜等。在机械性能方面，石墨烯是人类已经测量过的强度最高的物质。他的强度比钢铁还要高200倍，具有1 TPA(150 000 000 psi)时的拉伸模量(刚度)。在热学性能方面，石墨烯具有高导热性，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。利用高导热性可以开发散热膜、涂层材料等。采用石墨烯材料制成的导热膜片可以实现锂离子电池与环境间的高效散热。相对于传统的石墨片导热更快，可折叠性更好。

石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬、导电性能最强的材料，被誉为“新材料之王”。自2004年，英国曼切斯特大学物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖诺夫首次发表”在二维石墨烯材料的开创性实验”(两人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖)，发展至今已经10余年。在此期间，石墨烯的制备方法逐渐成熟、性能逐步优化，应用也越来越成熟与广泛。易智编译就石墨烯的优异性能及广泛应用进行简要介绍。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料，由碳原子和其共价键所形成的原子网格，碳碳键距离仅为1.42 Å，石墨烯内部的碳原子之间的连接柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证结构稳定。

一、石墨烯优异性能

在电学性能方面，石墨烯常温下具有超高载流子迁移率(>15000 cm2/V·s)，电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，目前为止为电阻率最小的材料，有望成为新一代电子元器件的基材。

在光学性能方面，石墨烯具有高透光性(单层吸收3.2%)，看上去几乎是透明的，利用高透光性和低电阻率可以开发透明导电膜、光电膜等。

在机械性能方面，石墨烯是人类已经测量过的强度最高的物质。他的强度比钢铁还要高200倍，具有1 TPA(150 000 000 psi)时的拉伸模量(刚度)。

在热学性能方面，石墨烯具有高导热性，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。利用高导热性可以开发散热膜、涂层材料等。采用石墨烯材料制成的导热膜片可以实现锂离子电池与环境间的高效散热。相对于传统的石墨片导热更快，可折叠性更好。

在生物相容性方面，羧基离子可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。

二、石墨烯广泛应用

近日，北京理工大学团队在Advanced Materials上发表”Graphene-Based Fibers: Recent Advances in preparation and application”，其系统综述了石墨烯在应用方面的进展。

1、石墨烯在电化学/生物传感器上的应用

在基因测序领域，成功开发的DNA感测器，是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备，能够探测DNA链的旋转和位置结构，该感测器利用石墨烯的电学性质，成功实现检测DNA序列的微观功能。

在化学传感器领域，石墨烯是电化学生物传感器的理想材料。通过石墨烯的表面吸附性，传感器灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。

2、石墨烯在电子材料领域的应用

a.石墨烯电池

石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的超高电子迁移率而开发的一种电池。正极材料决定电池能量密度，是电化学性能的决定性因素，目前可将石墨烯制成的导电浆料用于包覆正极材料，改善电极材料的导电性能，提高倍率性能和循环寿命；负极材料影响电池容量及充电效率，可以直接采用石墨烯，容量高、充电速率快。

石墨烯电池的好处在于：(1)超大载流子迁移率：大幅降低充电时间；(2)高稳定性：提高电池循环稳定性；(3)超大比表面积：提升电池容量。

b.石墨烯超级电容器

由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大潜力。

c.石墨烯触摸屏

石墨烯的良好的柔韧性、导电性和光学透明性完全能满足触摸屏要求，比目前的透明电极材料氧化铟锡(ITO)更完美。韩国研究人员已经制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明弯曲的显示屏。

3、石墨烯在可穿戴设备及功能织物上的应用

由于石墨烯纤维具有质量轻、高表面积、高导电性、超弹性，容易功能化，且与现有的织物技术兼容，使其适合成为可穿戴电子设备的重要元素。石墨烯作为世上最薄最有效的导电材料是可穿戴设备市场的完美选择。石墨烯导电油墨可以廉价地大量生产，并可以打印到各种材料中，包括衣服和纸张。

在医院里，患者在胳膊上佩戴一个打印的石墨烯RFID标签，这种标签集成了其他的二维材料，可以感应到患者的体温和心率，并将数据传送到读取器。医护人员可以无线监测患者的身体状况，极大地简化了病人护理的程序。

在养老院，打印石墨烯传感器可以打印到老年人的衣服里。这些传感器可以感测并收集老年人的健康状况并将数据送到监测访问点，可以实现远程医疗护理，提高生活质量。