探討石墨烯在各個領域中的應用！

由于石墨烯的發(fā)現，研究人員在2010年獲得諾貝爾物理學獎。我們何時能看到世界上最新穎的材料所生產的產品呢？這篇文章或許能給大家撥開迷霧。

1、利用石墨烯膜可以將鹽從海水中分離

地球表面大部分被水所覆蓋，但是由于大量的鹽的存在，使得我們很難將它當做飲用水的來源。為了解決這個問題，曼徹斯特大學的研究人員已經開發(fā)出一種可擴展的、孔徑大小均勻的氧化石墨烯薄膜，它可以過濾掉極其微小的鹽顆粒，而不過多影響水的流動。

由于石墨烯膜被淹沒在水中時會變得膨脹起來，它不能過濾掉那些極其微小的普通鹽離子。為此，他們找到一個通過物理方式來控制薄膜在水中膨脹程度的方法。該方法使它們比普通鹽離子的孔徑更小，從而過濾掉不想要的鹽、顆粒和分子。與此同時，這種薄膜仍然允許水流十分順利地通過。

從長遠來看，有研究小組指出，調整孔徑大小以過濾特定離子的基本思想可以應用于不同的薄膜，也有著不同的用途。

2、變形或破裂時可變色的石墨烯涂層可檢測裂紋

德國萊布尼茲聚合物研究所研究團隊開發(fā)了一種石墨烯涂層，它在變形或破裂時可改變顏色。例如，機翼和其他飛機部件可以產生微小的裂紋，當受到突然的壓力時，可能會導致故障。在這項新的努力中，研究人員已經開發(fā)了一種這種材料的涂層，這將使檢查員更容易發(fā)現可能導致故障的微小裂紋。

通過使用特殊的沉積方法重疊具有有序和無序特征的石墨烯納米片（GNP），實現了獨特的“魚鱗”結構。通過精細平行多層膜的機械調諧觀察到可變結構著色。 此外，結合可變結構著色和電氣感測功能的方法，使用幾種顏色來解決“交通燈”中的危險報警和安全性系統(tǒng)，他們?yōu)椴牧瞎收锨暗奈ｋU等級和微裂紋的早期警告帶來了第一個有價值的步驟。

3、石墨烯光電晶體管有望用于光學技術

石墨烯是一種薄碳層，可應用于光電方面，研究人員正在努力研發(fā)石墨烯光電探測器，這些器件對許多技術都至關重要。然而，由石墨烯制成的典型光電探測器僅僅能小面積感應光，因而也限制了其性能。

目前，研究人員通過將石墨烯與相對質量較大的碳化硅材料相結合，研制出了可被光激活的石墨烯場效應晶體管，因而解決了這個問題?！备咝阅芄怆娞綔y器可應用于諸多方面，包括天體物理學高速通信、超靈敏攝像機、感測應用、可穿戴電子設備等。另外石墨烯晶體管陣列會帶來高分辨率成像和顯示。未來研究方向主要包括探索諸如閃爍體、天體物理學成像技術和高能輻射傳感器等。

4、石墨烯有望促進神經細胞再生

一種非常規(guī)的工程技術也許能夠克服神經再生的障礙。來自愛荷華州立大學的科學家們已經開發(fā)出了一種利用噴墨打印機的納米技術，這種技術可以生成多層石墨烯電路。這種技術的最終結果有望將間質干細胞（形成骨、軟骨和脂肪細胞）轉化為施旺細胞，這種細胞在促進神經細胞的康復中起著多種作用。

在一份聲明中，共同第一作者、愛荷華州的生物化學工程博士后研究員Metin Uz說，“這項技術可能會獲得一個更好的方法來分化干細胞。” 然而，改進這種方法可能會影響體內受損神經的修復方式。

根據該團隊的研究結果，可以得出結論：“靈活的石墨烯電極可以適應損傷部位，并為神經細胞再生提供了直接的電刺激，這些結果為體內神經再生鋪平了道路?！?/p>

5、用石墨烯和金去做優(yōu)良腦探測器

來自韓國的一支研究團隊研發(fā)出了更高效的神經電極，可以最大限度地減少組織損傷，還能傳輸清晰的腦信號。通常，電極越小，檢測信號越困難。然而，韓國大邱慶北科技研究院的一個團隊開發(fā)出了一種小型，靈活和清晰的腦信號檢測器。

檢測器由記錄大腦信號的電極組成。信號沿著互聯線傳到連接器，將信號傳輸到測量和分析信號的機器上。這些組合的材料增加了探針（探測器）的有效表面積，導電性能和電極強度，同時仍保持柔軟性和與軟組織的相容性。

這意味著電極可以收縮，但不會減少信號檢測?；ヂ摼€由石墨烯和金的混合物制成。石墨烯是柔軟的，金是優(yōu)良導體。研究人員測試了探針，發(fā)現它能清晰讀取大鼠腦信號，比標準的平面金電極好得多。 該探針需要在廣泛商業(yè)化之前進行進一步的臨床測試。

6、石墨烯中的可控制電子為開發(fā)潛在電子設備提供新契機

科學家第一次在石墨烯中創(chuàng)造出了可調諧的人造原子。研究結果表明，限制用于控制石墨烯電子的技術是可行、可控、可逆的。電子的能量狀態(tài)是“可調節(jié)的”。這種可調性為研究石墨烯中獨特的物理電子行為開辟了新途徑。此外，它還提供了一種通過使用以石墨烯為主要設備的方法，促進了未來的電子技術，通信和傳感器。

羅格斯大學研究人員領導的團隊開發(fā)出了一種技術，可以穩(wěn)定地保持和控制修改石墨烯中局部的電荷狀態(tài)。該小組進一步證明，在外部電場作用下，空位處的準邊界狀態(tài)是可調的。捕獲機制可以打開和關閉，從而提供了一種新的范例來控制和引導石墨烯中的電子。

7、石墨烯納米帶可實現超敏感質量檢測

中國科學技術大學的研究團隊利用懸浮在溝槽上的石墨烯納米棒，通過單電子晶體管（SET）發(fā)現了納米機械運動與電導之間的聯系。

郭國平和他的團隊通過絲帶測量電流時，有了一些非常顯著的發(fā)現。當調節(jié)施加到色帶端部的交流柵極電壓的頻率時，它他們發(fā)現機械運動與單個電子進出帶的流動耦合；通過在較高功率下驅動色帶，系統(tǒng)進入非線性狀態(tài)。從這個角度看，血紅蛋白和其他典型的蛋白質在這個規(guī)模上有質量。

它們還提供了探索超過現有技術解決方案的納米級現象的途徑，可以揭示一系列領域的問題。

8、石墨烯海綿添加劑可用于增強鋰電池性能

來自日本NEC公司的研究員錢成開發(fā)了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為Magic G，可用于鋰離子電池的陽極和陰極，以提高其速率和功率性能。盡管經過多年的研究和開發(fā)，鋰離子電池顯示出一些很好的性能，但由于充放電能力差和高倍率性能，它們仍然受到低功耗的影響。

錢成開發(fā)了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為“魔術G”（MG），具有高導電性，高比表面積和高電解質吸收能力。海綿已經作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環(huán)性。

由于添加劑引入后而產生的電極特性，對于用于電動車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進一步優(yōu)化未來的結構，以獲得更高的性能。

9、無水環(huán)境下，石墨烯氫燃料電池膜可提升電池效率

匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員發(fā)現，石墨烯（二氧化碳和氫氣的二維聚合物）具有一種不尋常的特性，它可以形成一種無水的“管道”，也就是說不需要水就可運輸質子。無形之中引領了開發(fā)氫燃料電池的潮流，這種燃料可用于車輛和其他能源系統(tǒng)。

質子傳導膜（PEM）是質子交換膜燃料電池的核心所在，在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道。此膜對溫度和含水量要求高，當溫度過高或濕度下降，這會消耗水膜并阻止質子遷移穿過膜。

約翰遜博士說：“我們的計算機模型表明，由于石墨烯獨特的結構，使得它非常適合在無水條件下，通過電路快速地實現質子跨膜和電子傳遞。這表明將氫燃料電池車做為未來最佳的替代車輛，已指日可待。

10、石墨烯膜可使核去污能量減少100倍

根據曼徹斯特大學的研究，與現有技術相比，石墨烯可有助于核電廠生產重水和去污能耗成本減少超過100倍。Marcelo Lozada-Hidalgo博士領導的團隊展示了一種可完全擴展的石墨烯膜原型，這種石墨烯膜能夠更有效地生產重水，從而產生更環(huán)保并且更便宜的核電。

現在，曼徹斯特集團開發(fā)了可完全擴展的原型膜，并展示了中試規(guī)模研究中的同位素分離。他們發(fā)現高效率的分離將顯著降低需要處理的原始同位素混合物的投入量，這降低了資本成本和能源需求。

研究人員認為，超重氫凈化的能源效益在未來將會更大，這是全球主要關注的問題。

11、工程奇跡--石墨烯作為電極材料用于電子設備

石墨烯在電子工業(yè)中具有極大的發(fā)展前景，特別是作為有機發(fā)光二極管（OLED）、太陽能電池和可穿戴電子產品的透明導電的電極材料。

現在，作透明導電電極，ITO是最常用的材料。Whelan解釋說：“下一步的工作重點是提高轉移的石墨烯層的電導率，從而提高OLED的功率效率。我們規(guī)劃了兩個可能的路線：一、我們可以堆疊多個石墨烯層。二、我們可以化學摻雜石墨烯，也就是說我們可以引入影響電性能的雜質。這樣可以使石墨烯與ITO更具競爭力。Whelan說，將來，我們希望石墨烯可以成為柔性電子電極的標準材料，例如：用于制造可彎曲的屏幕。

12、研究人員解決了石墨烯的易燃性問題，從而開啟大規(guī)模生產的大門

石墨烯在生物醫(yī)學、電子、能源和環(huán)境等領域的應用前景十分可觀，在許多小型應用領域也取得了成功。但是，因為石墨烯氧化物是一種從石墨中制造石墨烯的中間產物，該產物已被證明具有火災隱患。

Tian實驗室研究人員使用三次或三次以上正電荷的金屬離子將石墨烯氧化物剝離成透明膜。這種新形式的碳聚合物材料除了不易燃外，還具有柔韌性、無毒性和強機械性。一個潛在的應用是使用這種不易燃技術開發(fā)的石墨烯，來創(chuàng)建一種能夠降低加熱和冷卻成本的節(jié)能窗戶涂層。

Tian說：“這會有更多的應用程序，我們預計未來的汽車和飛機窗戶將比目前更加智能化，還會有夜視應用。

13、石墨烯納米管混合物提升鋰金屬電池

萊斯大學的科學家們通過解決長期困擾研究人員的問題：枝晶的問題，創(chuàng)造了一種可充電的鋰金屬電池，其電池容量是商業(yè)鋰離子電池的三倍。

由化學家詹姆斯羅伯茨領導的Rice研究人員發(fā)現，當新電池充電時，鋰金屬均勻地包覆了碳納米管以共價連接到石墨烯表面的高導電碳雜化材料。如美國化學學會雜志ACS Nano所報道，該混合物代替了用于交換安全能力的普通鋰離子電池中的石墨陽極。在Rice大學創(chuàng)建的石墨烯 - 碳納米管陽極的測試表明，它抵抗可破壞電池的鋰樹枝狀晶體的形成。

Tour說“許多人做電池研究只做陽極，因為做整個包裝要困難得多，因此我們必須開發(fā)一種基于硫磺的相對的陰極技術，以適應第一代系統(tǒng)中的這些超高容量鋰陽極。我們正在中試規(guī)模生產這些陰極加陽極的完整電池，并對它們進行測試?！?/p>

14、三維石墨烯上的鎳鈷硫化物核/殼結構用于超級電容器

鎳鈷硫化物的三維（3D）核/殼結構是在石墨烯上使用一系列水熱步驟進行納米工程而生成的，而用于生長核殼結構的石墨烯是在應用于超級電容器的CVD上生長的。

通過使用NCS納米管芯作為電子和離子高速遷移的通道，以及CNS納米片殼作為高活性區(qū)假電容材料，合成后的復合材料表現出優(yōu)異的電化學性能。3D石墨烯層除了作為優(yōu)異的表面積來支持3D NCS/CNS外，它還提供了鎳泡沫集電器和3D NCS/NCS復合材料之間優(yōu)異的導電性。

這種高性能電極材料可能在未來的儲能裝置中得到很好的應用。

15、石墨烯可作為篩子過濾水中的離子

目前，隨著耗水量越來越大，以及海水污染和環(huán)境污染的日益嚴重，世界上有數億人無法獲得安全飲用水。由于傳統(tǒng)的海水淡化過程具有能源密集型和環(huán)境破壞性，因此我們迫切需要從海水或污染水中提取潔凈水。

曼徹斯特大學的研究人員認為，石墨烯氧化物（GO）膜可以提供一種簡單的方法，從飲用水中過濾出不需要的鹽和雜質。石墨烯膜存在的缺點是當GO層浸沒在水中時，兩層或三層水分子將自身插入層間空間中，這樣就會擴大了間隙，允許離子和分子通過并降低了材料的選擇性。奈爾和他的團隊圍繞這個缺點找到了一種簡單的方法，即將GO層疊在環(huán)氧樹脂之間，以便限制它在浸入水中時膨脹。通過運用這種方法，物理密封的氧化石墨烯（PCGO）膜可以成功地過濾掉像Na 和K 之類的常見離子，同時允許水通過。

16、電化石墨烯制成細菌滅蟲器

石墨烯的應用正逐漸被人們發(fā)掘，萊斯大學的研究人員已經用這種材料來制造一個細菌滅蟲器。以前已經發(fā)現一種稱為激光誘導石墨烯（LIG）的材料是抗菌的，現在該團隊已經發(fā)現，通過添加幾伏的電力，這些性能可以被提升一個檔次。

Tour說：“這種形式的石墨烯極易抵抗生物膜的形成，這對生物膜的形成具有很大的應用潛力，例如水處理廠，石油鉆井作業(yè)，醫(yī)院和海洋應用場合，如對污染敏感的水下管道。使用電力時的高抗菌是一個很大的額外的好處。”

Tour說：“被動生物污損抑制和主動電壓誘導的微生物去除的結合使得這是一種非常受歡迎的材料，用于抑制困擾許多行業(yè)的自然污染的增長，解決了一個大麻煩。”

17、碳化硅上的石墨烯可以儲存能量

通過在碳化硅的石墨烯的完美表面上引入缺陷，瑞典Linkping大學的研究人員增加了材料存儲電荷的能力。

進行研究的研究人員通過在Linkping大學開發(fā)的方法使用石墨烯制造碳化硅晶體。當碳化硅被加熱到2000℃時，表面上的硅原子移動到氣相，并且只剩下碳原子。 Mikhail Vagin說：“被稱為 “陽極氧化”的電化學過程會破壞石墨烯層，從而產生更多的邊緣。我們測量了陽極氧化石墨烯的性質，發(fā)現材料儲存電能的能力相當高。

MikaelSyvjrvi 說：“碳化硅上的石墨烯可以在比其他類型的石墨烯更大的區(qū)域中制造，如果我們可以以受控的方式改變材料的性質，則可以為其它功能定制表面，例如，創(chuàng)建一個具有自己的內置電池的傳感器?！?/p>

18、利用石墨烯可造出可見光以外的高端相機

在過去的40年中，微電子技術突飛猛進，這主要得益于硅和CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術，正是基于此，才有可能制造出計算機、智能手機、小巧且低成本數碼相機以及我們今天所依賴的大多數電子產品。然而，由于難以將除硅以外的半導體與CMOS結合起來，使得這個平臺除微電路和可見光攝像機以外變得更加復雜多樣。

現如今這個障礙已經克服了。 ICFO研究人員首次展示了CMOS集成電路與石墨烯的單片集成，由此產生了一種高分辨率圖像傳感器，它主要是基于石墨烯和量子點（QD）的數十萬光電探測器而成?？偟膩碚f，這種石墨烯與CMOS的單片式集成的演示能夠使光電子應用更加廣泛，例如低功率的光學數據通信和緊湊、超靈敏的傳感系統(tǒng)。

19、氧化石墨烯使橡膠更堅固

天然橡膠為粘性液體，但添加交聯劑和填料顆?？梢陨a出固體彈性材料。然而，這個過程是耗費時間和精力的。 現在來自四川和哈佛大學的研究人員發(fā)現，石墨烯氧化物（GO）可以在一個簡單的步驟中交聯和強化橡膠。

曼徹斯特的納米功能材料集團領導者Vijayaraghavan說：“復合材料包含兩部分，一種柔軟輕盈的基體和一種強力的填料，總而言之，它們既輕又強?！薄斑@是運動車中使用的碳纖維復合材料或用于護甲的凱夫拉爾復合材料的原理。在這種情況下，我們用石墨烯制成了一種柔軟而有彈性但脆弱的橡膠復合材料，所得材料都是更強大和更柔軟。”

20、石墨烯為分子電子學提供新功能

由國家物理實驗室（NPL）和伯爾尼大學率領的國際研究團隊開發(fā)了使用石墨烯調節(jié)下一代分子電子器件功能的新途徑。可以利用這些結果開發(fā)更小，更高性能的器件，用于一系列應用，包括分子檢測，柔性電子器件，能量轉換和存儲，以及電阻標準的穩(wěn)定測量設置。

在科學進步雜志上報道的研究結果表明了基于石墨烯的分子電子學發(fā)展的重大變化，分子和石墨烯之間的共價接觸的重現性（甚至在室溫下）克服了基于造幣金屬的最先進的技術的當前狀態(tài)的局限性。

研究結果還將幫助研究人員在電催化和能量轉換研究中，通過在其實驗系統(tǒng)中設計石墨烯/分子界面，提高催化劑或器件的效率。

21、石墨烯晶體管開啟計算機的新時代

中佛羅里達大學助理教授Ryan M. Gelfand是研發(fā)團隊的一份子，他所在的研發(fā)團隊現今研發(fā)了一種石墨烯晶體管，這種晶體管在只使用現有晶體管百分之一電力的情況下，能使計算機運行速度提升一千倍。而現在，依靠硅晶體管的舊時代已經結束，石墨烯晶體管的新時代就要來臨?！?/p>

基于邏輯電路的相互聯系的石墨烯晶體管系列可以使速度實現飛躍，能使時速接近太赫茲范圍——也就是說時速會提升大約一千倍。另外，Gelfand也表示，石墨烯晶體管將會更小，并且效率也會更高，同時會使設備制造商制備工藝更簡單并使計算機具備更多的功能。

22、石墨烯未來路在何方？劍橋、麻省理工等科學家這樣說

有人預測，石墨烯將取代硅作為電子器件的主要材料，因為它可以使設備的處理速度遠遠超過穆爾定律，且更輕、更薄、更靈活。另一些人則夢想著石墨烯推動電池的發(fā)展，因為它能將當今鋰離子電池的能量密度提高很多倍，極大地擴大了電動汽車的使用范圍，并在幾秒鐘內為我們的手機和筆記本電腦充電。

De la Fuente告訴Seeker，石墨烯的第一個廣泛的商業(yè)應用可能在生物傳感領域。在生物傳感器之后，電池將成為利用石墨烯獨特性能的下一個產品?！笆┲皇潜揭唤?，并且才剛剛開始”。石墨烯具有很大的潛力，但我們至少需要花費10到15年才能實現。我們不知道是否會成功，但我對結果越來越滿意?！?/p>

23、石墨烯納米膠囊，促進鋰硫電池商業(yè)化

美國阿貢國家實驗室和俄勒岡州州立大學的研究人員，發(fā)現了一種新的陰極結構硫化鋰電池，這種陰極由包覆多層石墨烯的二硫化鋰納米晶體組成。

在他們實驗過程中，研究人員發(fā)現Li2具有較高氧化還原活性，電極充電時氧化為硫，放電時又還原回去。在這種電化學轉化過程中，石墨烯膠囊可以有效地保存活性硫，因此電極不會膨脹。

他告訴nanotechweb.org ：“我們的新工作，克服了傳統(tǒng)的硫電極和先前報道的表面復合材料存在的問題。簡單和可規(guī)模化的制造工藝已經開始發(fā)展，這意味著在電動汽車行業(yè)，該電極很有可能使Li-S電池商業(yè)化，具有很大的潛力?！?/p>

24、釕原子附著石墨烯上制造高效燃料電池

萊斯大學科學家通過將單一的釕原子附著到石墨烯上，為高性能燃料電池制造了耐用的催化劑。

催化劑驅動氧化還原反應，使燃料電池將化學能轉化為電能，電極通常由鉑制成，其能夠抵抗電池電荷電解質的酸性。但鉑金是昂貴的，科學家已經研究了幾十年，希望可以獲得適當的替代品。化學家James Tour說，他的實驗室與萊斯和中國的同事們開發(fā)了新的材料，釕原子和石墨烯組合可能符合要求。在測試中，其性能與傳統(tǒng)的鉑基合金、最佳鐵氮摻雜石墨烯的性能相當。

25、石墨烯血液透析膜

現今的商業(yè)透析膜分離分子十分緩慢，部分原因是由于它們的組成所致：商業(yè)透析膜相對較厚，并且作為可以穿過這種致密膜的“孔”蜿蜒分布，因此靶分子難以快速通過商業(yè)透析膜。

現在麻省理工學院的工程師已經從石墨烯片中制備出了一個功能性透析膜，石墨烯為一層單一的碳原子，以與鐵絲網結構相似的六邊形一樣端對端連接。麻省理工學院機械工程系博士后PiranKidambi表示：該研究小組的研究結果表明，石墨烯可以改善膜技術，特別是對于實驗室規(guī)模的分離過程、以及潛在的血液透析等應用領域。

26、石墨烯上的納米電子器件，為電子產品微型化開辟了新的途經

科學家們在電子器件微型化的道路上不斷前進，如今已可以將某些必要的電子器件（如二極管和隧道效應半導體結）在原子精度層面上結合于單個石墨烯線（納米帶）中。

經過反復討論，阿爾托大學的Peter Liljeroth與烏得勒支大學的Ingmar Swart敲定了方案。他們試圖通過在原子精度層面制造石墨烯結構來解決控制電流的問題。他們發(fā)現，石墨烯的電子性能可以通過將其制成石墨烯納米帶（非常窄的條帶）來控制，并且利用了先進的微觀技術來確定所得結構的電子特性和電子運輸特性。

Peter Liljeroth說：“這是我們第一次創(chuàng)建出隧道效應半導體結，并且真正了解到它的具體原子結構。另外，通過實時測量通過電子器件的電流，我們還可以定量地分析理論與實驗方面的差別?！?/p>

27、石墨烯太陽能電池將“隨處可見”

近日，研究人員研發(fā)出一種利用石墨烯制造太陽能電池的新技術，這種太陽能電池可以安裝在玻璃、塑料、紙張和膠帶等的表面上。

該太陽能電池將低成本的有機（含碳）材料與石墨烯電極進行了結合。由有機化合物制成的光伏太陽能電池擁有比現在普遍使用的無機硅太陽能電池更多的優(yōu)點，例如便宜、易于制造，并且具有柔軟、輕量級的特點，擺脫了重量大、材質硬和脆性易折的缺點，因此將更容易運輸。

研究人員未來的目標就是在不犧牲透明度的前提下提高石墨烯有機太陽能電池 的效率，但這還有很長的路要走。他們現在也正在考慮如何將太陽能電池擴大到覆蓋整個窗戶和墻壁所需的大面積，這樣一來它們可以更有效地發(fā)電，同時還能夠對人眼保持幾乎不可見。

28、石墨烯超級電容器打印初試告捷，可穿戴時代不再遙遠？

近幾年，石墨烯一直是研究熱門，一項來自曼徹斯特大學的研究證明，只要通過簡單的絲網印刷技術就可直接將柔性電池類設備印刷到紡織品上。

目前可穿戴技術最大的難題是：如何在不配備眾多電池組的情況下給設備供電？曼徹斯特大學的研究團隊認為，比較恰當的解決辦法是用超級電容器代替電池組。他們將可導電的氧化石墨烯油墨印刷到棉織物上，成功制得固態(tài)的柔性超級電容器。

為了進一步實現電子設備的可穿戴化，下一步該做的是發(fā)展一種簡單可工業(yè)量產化的印刷技術來生產這種超級電容器，這將對下一代多功能可穿戴電子產品的實現至關重要。