科學家展示石墨烯兆赫茲探測器,更精準的宇宙 3D 成像不是夢

科學家展示石墨烯兆赫茲探測器,更精準的宇宙 3D 成像不是夢

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兆赫茲技術是全世界都在引頸關注的新科技之一,然而除了超導體以外,很少再有材料能應用在兆赫茲(THz)太空探測器上。而最近,瑞典查爾摩斯工學院的科學家展示了一種新的石墨烯探測器,證明石墨烯也可以成為下一代太空望遠鏡的革命性材料,比如應用在超靈敏感測器中。

兆赫輻射(兆赫茲、THz 波)與傳統光源有別,是一種具有許多獨特優點的全新輻射源,為頻率介於 0.3~3THz 的電磁波,波長則約 0.1~1mm,介於微波與紅外光之間。兆赫輻射穿透性強,能夠穿透衣服、聚乙烯,聚酯等各種類型的防護罩,一個關鍵特徵就是許多阻擋可見光和紅外光的材料,會在兆赫茲頻率範圍內變得透明。

兆赫輻射還很安全,比起過量 X 射線可能造成人體損害,兆赫輻射雖然能穿透衣服和塑膠,但對所有生物體都無害,所以擁有一定的技術優勢,幾乎可能在未來改變科學界的遊戲規則,比如醫學成像、遠距離安全檢查、數據傳輸(比如功能更強大的無線設備)、兆赫茲無損檢測等領域。

然而過去除了超導體外,很少有其他材料能勝任應用於天文領域的超靈敏兆赫茲探測器,導致許多探測任務無法有突破性進展。而最近,瑞典查爾摩斯工學院科學家終於展示出成功的石墨烯兆赫茲探測器。

我們知道石墨烯即使在電子匱乏的環境下依然是優秀的電/熱導體,而團隊研究結果表明,當摻雜狄拉克點(Dirac point)時,石墨烯會成為兆赫茲外差檢測(heterodyne detection)非常好的材料。

研究人員以石墨烯感測器組合或混合兩個訊號:一個訊號是高強度的兆赫茲波,來自本地震盪器(local oscillator),另一個是微弱的兆赫茲訊號,模仿來自太空的電磁波,感測器混合這些訊號後以更低的千兆赫茲(GHz)頻率輸出波,接著就能用標準的千兆赫電子元件進行分析。

此外,石墨烯兆赫茲探測器的另一個重要成就,是本地振盪器所需功率極低,比超導體還低幾個數量級,這可以打造量子限制的兆赫茲干涉探測器陣列,打開宇宙 3D 成像領域的大門。

新論文發表在《自然天文學》期刊。

(首圖來源:查爾摩斯工學院

中國科學家實現石墨烯原子級精准“折紙”

中國科學家實現石墨烯原子級精准“折紙”

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中國科學家實現石墨烯原子級精准“折紙”

新華社訊,中國科學院物理研究所高鴻鈞研究團隊近日首次實現了原子級精准控制、按需定制的石墨烯折疊,這是目前世界上最小尺寸的石墨烯“折紙”。該研究成果6日發表在國際知名學術期刊《科學》上。

 

研究人員利用石墨烯氣凝膠助鋰硫電池突破

研究人員利用石墨烯氣凝膠助鋰硫電池突破

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據外媒報導,為了適應電氣化未來的需求,需要研發新型電池技術,其中一個選擇就是鋰硫電池,與鋰離子電池相比,理論上來說,此種電池能量密度要高5倍。最近,瑞典查默斯理工大學(Chalmers University of Technology)的研究人員在石墨烯海綿(graphene sponge)的幫助下,利用陰極電解液,在此種電池的研發上獲得了突破。

研究人員的想法非常新穎,利用一種由還原氧化石墨烯製成的多孔、類似海綿的氣凝膠,當作電池的獨立電極,從而更好地利用硫、提高利用率。

傳統電池由四部分組成,首先,有兩個覆蓋活性物質的支撐電極,即陽極和陰極;它們之間是電解質,通常是液體,可讓離子來迴轉移;第四個部分是分離器,作為物理屏障,可防止兩個電極接觸的同時,允許離子轉移。

此前,研究人員曾嘗試將陰極和電解質結合在一起,成為“陰極電解液”。該概念有助於減輕電池重量,同時使充電速度更快,供電能力更強。現在,由於石墨烯氣凝膠得到了發展,該概念被證明有效可行,而且前景很好。

首先,研究人員在一個標準電池盒內註入薄薄的一層多孔石墨烯氣凝膠。查默斯理工大學物理系兼本研究的首席研究員Carmen Cavallo表示:“氣凝膠是一個長瘦型的圓柱體,將它像切意大利香腸一樣切成薄片,然後將薄片擠壓放入電池。然後再拿一種含硫豐富的溶液,即陰極電解液,加入到該電池中。多孔氣凝膠作為支撐,會像海綿一樣吸收該溶液。”

“石墨烯的多孔結構是關鍵,可吸收大量陰極電解液,得到足夠的硫,進而使陰極電解液概念得以實現。此類半液體陰極電解液非常有必要,可以在硫循環的過程中不損失任何硫,由於硫已經溶解在陰極電解液中,因此不會因溶解而損失”。

為了使陰極電解液發揮其電解質的作用,還在分離器中加入了部分陰極電解液,這也最大限度地提高了電池的硫含量。

目前,大多數商用電池都是鋰離子電池,但是此種電池的發展已接近極限,為了滿足更高的要求,尋找新型化學方法變得更加重要。而鋰硫電池具有多個優點,如能量密度更高。目前,市場上最好的鋰離子電池的工作效率為300瓦時/千克,理論上說,最大可達350/千克。而理論上來說,鋰硫電池的能量密度約為1000至1500瓦時/千克。

查默斯理工大學物理系教授兼此次研究主導人Aleksandar Matic表示:“此外,硫很便宜,儲量豐富,而且更加環保。此外,鋰離子電池中普遍含有對環境有害的氟,而鋰硫電池卻沒有。”

目前為止,鋰硫電池的問題在於不夠穩定,導致循環壽命短。但是在查默斯理工大學的研究人員在測試新電池原型時,發現新電池在350次循環後,仍保持85%的容量。

新設計避免了硫鋰電池降解過程中的兩個主要問題,一個是硫溶解到電解質中而丟失,另一個是硫分子從陰極遷移到陽極的“穿梭效應”。在這個設計中,此類問題的影響都被大大減少了。

但是,研究人員指出,該項技術要完全發揮市場潛力仍還有很長一段路要走。Aleksandar Matic表示:“由於此種電池的生產方式不同於大多數正常電池,因此還需要研發新的生產工藝,以實現該電池的商業化。”

全新鋰硫電池結構登場,以石墨烯與陰極電解質有效提高穩定性

全新鋰硫電池結構登場,以石墨烯與陰極電解質有效提高穩定性

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電池組成就像三明治一樣層層疊疊,不同的材料與結構就會有不同的性能表現,最近瑞典查爾摩斯工學院團隊將鋰硫電池煥然一新,不僅加入石墨烯氣凝膠薄片提高效率,更將陰極與電解質部分合二為一,達成提升電池穩定性與降低重量目標。

電池主要由兩個電極,電極之間的電解質與隔離膜組成,離子首先會從陰極出發,經過電解質與隔離膜最後抵達陽極,不過未來電池的結構已不一定是如此。過去曾有研究為了減輕電池重量、提高充放電速度與儲電力,試圖將陰極與電解質合體,開發出「陰極電解質(catholyte)」,而隨著技術進步,現在科學家已初步達成目標。

查爾摩斯工學院團隊首先以鈕扣型鋰硫電池進行實驗。他們先將長條形石墨烯氣凝膠切成一片片的薄膜,之後再調整大小與尺寸放入富含硫的陰極電解質溶液,其中石墨烯氣凝膠薄片具有多孔結構特性,既可當成支架,也可以化身成海綿,吸收大量陰極電解質溶液以提高電池硫負荷(loading)。

團隊指出,陰極電解質設計可以讓鋰硫電池許多難題迎刃而解,過去該電池一直無法突破「硫易溶解到電解質」以及「硫分子會跑到陽極」等超級大缺點,這讓電池的穩定性與壽命雙雙難以提高,但現在查爾摩斯工學院團隊已解決這上述問題,研究員 Carmen Cavallo 表示,由於硫早已溶解在陰極電解質中,因此不用再擔心硫在充放電中消失與被溶解。

目前團隊也成攻打造出新型鋰硫電池原型,穩定性也有大幅提高,在充放電循環 350 次之後,容量仍可維持在 85%,有助於加速鋰硫電池的商業化進展。

鋰硫電池理論重量能量密度是鋰電池的 3-5 倍,高達每公斤 2,700Wh,且還具有電池重量輕、原材料豐富、不需要用到氟等優勢,雖然目前鋰離子電池仍是市場主流,但這並不影響科學家對鋰硫電池的關注與期待,假如未來科學家研發有成,人們將可享用更輕、成本更低與容量更大的電池。

(首圖為石墨烯氣凝膠,來源:查爾摩斯工學院

南開大學研獲耐高溫抗極寒的石墨烯材料

南開大學研獲耐高溫抗極寒的石墨烯材料

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三維石墨烯材料的製備及微觀結構

 

具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應用中具有廣泛需求。然而,目前幾乎所有高彈性材料的彈性及力學性能都會受到溫度影響,無法在外太空等深低溫環境下保持材料的優良性能。

近日,南開大學化學學院教授陳永勝團隊聯合美國萊斯大學研獲了一種新型三維石墨烯材料,該材料可在4K(約-269℃)深低溫到1273K(約1000℃)高溫區間保持良好的穩定性和高彈性。相關研究結果發表於《科學進展》。

既往研究顯示,具有壓縮彈性的三維石墨烯材料在室溫下具有大形變量可回复的彈性變形能力,且當材料被浸於液氦中(77K,約-196℃)或900℃的惰性氣氛中,該材料的力學行為同樣表現。

陳永勝團隊研獲的三維石墨烯材料,由無序排列的單層石墨烯片通過共價鍵化學交聯而構成,在低至液氦溫區的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學性能,包括高度可回复的超級彈性、不變的楊氏模量、近零泊鬆比以及出色的抗疲勞性能。

通過自主搭建的力學性能測試系統,研究人員精確、系統地測試了在4~1273K(約-269~1000℃)溫度範圍內,三維石墨烯材料的各項力學性能。此外,團隊利用改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品台,獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮—回彈過程中微觀結構的變形特徵,並通過理論模型計算驗證,闡明了這一新型材料溫度不變性源於石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結構。

研究人員指出,石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學穩定性,使其成為深低溫條件下的最佳研究對象,此次研獲的新型“太空海綿”在航天裝備製造等領域具有良好應用前景。

相關論文信息:DOI: 10.1126/sciadv.aav2589

2019年石墨烯發展:從近身科技到貼身科技

2019年石墨烯發展:從近身科技到貼身科技

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2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Kostya Novoselov),成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,並在2010年拿下諾貝爾獎。隨著電子產品大量工業化後,面臨體積和散熱技術的瓶頸,各大廠商再次將厚望寄予石墨烯,華為、三星在石墨烯手機上互較高下,是2019年手機的一大亮點,石墨烯正式進入商業化量產階段,不再只是近身技術而已,各種石墨烯穿戴式的貼身產品紛紛出爐。

由石墨烯旗艦計畫(Graphene Flagship)籌畫並獲得歐盟執行委員會(European Commission)與GSMA支持的Graphene Pavilion,在2019年世界行動通訊大會(MWC)上,展出超過20個基於石墨烯材料技術的原型裝置,包括行動裝置、健康監測及各項穿戴式裝置應用,這些原型和設備將可能改變未來的電信與人類生活。

由西班牙光子科學研究所(The Institute of Photonic Sciences,簡稱ICFO)策劃的石墨烯旗艦計畫在MWC 2016中首次亮相,這是歐洲有史以來規模最大的石墨烯研究計劃,現在已經進入第四個年頭,在MWC2019展會上,展示了石墨烯如何實現全新的連接方式,從單一連接設備到構成物聯網生態系統的嵌入式處理器、傳感器和通訊硬體網路。根據Graphene Flagship與ICFO發布的訊息,石墨烯在防衛與安全、資料與行動通訊、顯示、能源與環境、食品與健康、物聯網(IoT)、太空、汽車與運輸、穿戴式裝置等應用極具壞性創新潛力,石墨烯將從實驗室環境轉移到工廠,並在人們的生活中發揮越來越大的作用。

圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源...
圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源:Graphene Flagship)

在今年的MWC展會中,Graphene Flagship將焦點聚集在「未來電話」、「未來可穿戴式設備」,以及「未來家園」三大領域,參觀者可以親眼看到石墨烯技術如何提高互聯網連接速度,同時降低與數據傳輸相關的成本和能耗,進而改變通信業的面貌;同時也能改善健康相關穿戴式產品的準確度,並降低了功耗。

圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship...
圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship)

 

石墨烯將改變手機技術和電信,手機主要製造商已經在研究使用石墨烯來增強網路設備的各種可能性。從高速數據通訊到耐用複合材料、夜視鏡頭和音頻技術,石墨烯的可能性可說無窮無盡。石墨烯獨特的性能可與超寬頻(Ultra-wideband,簡稱UWB)通訊和低功耗相結合,滿足物聯網和即將到來的工業4.0需求,使得石墨烯設備成為5G、物聯網和工業4.0發展的關鍵因素。

未來手機:石墨烯電池

過去手機大廠都是仰賴大面積的金屬背板、限制最高溫度來控制手機散熱,隨著智慧型手機越做越輕薄,電池散熱和降低功耗勢必是要解決的大問題。2016年時,瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)Johan Liu研究團隊發現一種利用石墨烯薄膜冷卻電子產品的新方法,透過使用叠氮矽烷胺基增強石墨烯薄膜,成功將散熱效率提升到76%,該項研究為電子元件提供了新的熱能管理方案,利用在電子產品上能夠達到快速降溫的作用。石墨烯一躍成為終結手機鋰電池時代的秘密武器。

2018年6月,大陸知識產權局公告了一項由華為與劍橋大學聯合申請的石墨烯散熱專利,專利顯示華為發明了一種官能化石墨烯及其製備方法,而在去年10月,華為推出的智慧型手機Mate 20 X,選擇了超大容量的5000mAh電池,搭載的就是由石墨烯加上「液冷散熱系統」(HUAWEI SuperCool)組合,主推高效散熱、低溫穩定運行,這也是石墨烯技術首次在智慧型手機上得到應用。華為2019年新推出榮耀Magic2手機,除了主打3D仿生感光技術,也繼續採用石墨烯散熱技術,解決遊戲玩家遇到遊戲體驗不流暢、長時間手持手機感到燙手的情况。

圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片...
圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片來源:CNIPA(申請號:2017114556878))

雖然華為首先將石墨烯技術應用在手機上,但三星卻搶先一步在2017年布局了基於石墨烯電池解決方案的專利,去年10月三星官方微博曾經分享「石墨烯電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。使充電容量增加45%,在60度高溫下仍可持續穩定,而且十幾分鐘就可以充滿電」,暗示三星已完成石墨烯技術研發,在短時間內可進行商用,2019年三星旗艦手機 Galaxy Note 10相當可能採用石墨烯電池,據稱充飽電只要12分鐘,成為三星新款手機的賣點。

2020年石墨烯導電劑市場規模將達140億

2020年石墨烯導電劑市場規模將達140億

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石墨烯導電劑價格有望下降

目前,發展和改進鋰離子電池的主要方向是提高電池容量與充放電性能,提高電池的安全性並降低電極材料成本。鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解質等組成,而決定鋰離子電池整體電化學性能的關鍵是電極材料。

石墨烯粉體在鋰離子電池中的應用比較多元化,主要應用方向有三種,分別是作為正負極材料導電添加劑,用在銅箔或鋁功能塗層以及作為電極材料。目前已經實現商業化的是用在正極材料中作為導電添加劑,來改善電極材料的導電性能,提高倍率性能和循環壽命。

根據石墨烯產業聯盟的統計數據,2015年石墨烯導電劑的價格為230美元/千克,與碳納米管導電劑價格大致相同。隨著石墨烯生產工藝的進一步成熟,相關資本的湧入以及國家政策的大力支持,石墨烯導電劑將突破成本瓶頸,預計到2020年,石墨烯導電劑價格將降至50-80美元/千克,石墨烯導電劑的價格優勢逐漸突顯。

圖表1:2020年各類導電劑價格預測(單位:美元/千克)

2020年石墨烯導電劑市場規模將達140億

2020年石墨烯導電劑市場規模有望達140億

2016-2017年是石墨烯在鋰電池領域應用的探索期,整體市場滲透率比較低,此階段行業的增長動力主要得益於新能源汽車快速增長帶來的鋰電池產能迅速擴張。2017年後,隨著補貼逐漸取消,鋰電池產能會出現波動,增速放緩。但此階段石墨烯用作鋰電池導電劑的技術條件成熟,石墨烯在鋰電池領域的滲透率將迅速提高,市場規模快速擴張,市場增長將主要由技術推動。

根據前瞻產業研究院《2018-2023年中國新材料行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》預計,2020年導電劑市場規模為51.3萬噸,如果按照石墨烯導電劑在正負極材料中添加比為6%計算的話,到2020年,石墨烯在鋰電池導電劑方面的需求量為51.3萬*6%=3.078萬噸。如果2020年石墨烯價格能如期降至50-80美元/千克(5-8萬美元/噸,折約34-52萬元/噸),我們取折中45萬元/噸,那麼2020年石墨烯在導電劑領域的市場就有138.5億元。

圖表2:2020年石墨烯導電劑市場規模預測(單位:GWh,萬噸,%,萬元/噸,億元)

2020年石墨烯導電劑市場規模將達140億