会发热的“冰墩墩”——温暖整个冬奥的石墨烯材料,图片,材料,石墨烯,电导率,导热性,生物医药,航空航天,能源,环境,第1张

图1  2022年北京冬奥会颁奖礼仪服装(图源自网络)

瑞雪祥云、唐花飞雪、鸿运山水的吉祥图案与霞光红、天霁蓝、冰蓝、瑞雪白的正色搭配,加上中国传统刺绣、提花、绒花等工艺,构成了极富中国韵味的冬奥颁奖服饰(如图1)。

身穿精美服饰的颁奖人员,不仅要为运动员送上荣誉,表达祝贺,而且要在零下20℃的寒冬户外长久的保持优雅的站姿。在这寒风料峭、冰天雪地的颁奖现场,礼仪志愿者们穿着如此单薄,为什么还能保持十分端庄、大方的仪态呢?其实答案就在这精心设计的颁奖服饰中。礼仪志愿者们所穿的衣服是由一种特殊的“布料”制作而成的,只要按下藏在暗处的加热开关,只需很小的电能就能使衣服快速升温,为人体提供温度的保障,这种神奇的“布料”就是——石墨烯发热材料

石墨烯优良的导电和导热性

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图2 石墨烯结构示意图(图源自网络)

石墨烯(如图2)是人类历史上首次得到的只有一层原子(厚度仅为 0.335 nm[1])的材料,其独特的二维蜂窝状碳纳米晶体结构使之具有优越的物理学性能[2]。在石墨烯晶体中,碳原子以sp2杂化轨道形成离域大π键,使电子可以在其中自由移动,因而石墨烯具有良好的电学性能,其电子迁移率超过15000cm 2/(V·s),远高于碳纳米管和单晶硅,电阻率为10-6Ω·cm,是世界上电阻率最小的材料[2]。同时,它的导热性能也使人为之惊叹,其热导率高达5300W /(m·K),是迄今为止导热系数最高的碳材料[1]。

石墨烯发热布的制作

由于石墨烯具有良好的导电、导热性能与极高的电热转化率(高达99%[4]),使之在电热领域有着广泛的应用前景。正如本次2022年北京冬奥会所使用的爱家科技与北京石墨烯技术研究院等联合研发的石墨烯发热材料,就是这先进科技的一种应用成果。将石墨烯制成水性分散液,并往石墨烯片层之间插入碳纳米管与炭黑,从而构建稳定的三维体系,得到水性石墨烯导电油墨,再将其生长在特定的纤维骨架上,就能制备出石墨烯复合纤维,最后将这种复合纤维与特种纤维、导电纤维进行混纺、混织,就能制备出石墨烯纺织物发热材料[4]。不仅如此,这种发热材料也兼具普通布料所具备的耐水洗、柔软、轻薄舒适和耐用等优势,反复水洗、揉搓和剪裁都会不影响它的功效[4]。

石墨烯服饰如何自发热?

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图3 石墨烯发热膜红外成像与远红外线

那么石墨烯发热服饰是怎样工作的呢?为什么当人们按下加热开关,就能在低温、低电压(5V安全电压)的条件下迅速启动,使衣服升温至35℃-55℃呢?答案仍然蕴藏在它独特的二维纳米结构中。当按下加热开关,也就是对石墨烯的两端施加电场,电场中的电子便反复激荡,使石墨烯晶体出现表面声子现象。表面声子在快速传播的过程中发生能量传递,将电能转化成为热能,而热能又通过波长为5-14微米的远红外线以平面的方式进行均匀传递[5](如图3)。

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图4 石墨烯保暖产品(图源自网络)

集中在该区间的远红外线又被称为“生命光线”,与人体波长接近,能被很好的吸收,从而使人感受到晒太阳般的舒适与温暖,同时又能与人体细胞形成“分子共振”和“内热效应”,促进新陈代谢,具有一定的理疗作用[7]。而发热服饰之所以能够在低温、低电压的环境中迅速启动,快速完成电热转化,也缘自于它具有极高的电子迁移率、热导率、电热转化率和极小的电阻率等优越的电热性能,从而使得科研人员研发出的各类保暖产品比如:冰墩墩暖手宝、石墨烯加热马甲、手套、袜子等能帮助人体保持温度、抵御严寒。与此同时,石墨烯发热材料也应用在赛场专业设备的低温保护上。在零下20℃的低温环境中,带有液晶屏、锂电池的电子设备的性能迅速下降,甚至不能正常开机工作。所以科研人员也为这些电子设备研发了石墨烯外套,例如云转播背包,从而帮助转播设备延长使用时间,保障其在低温环境中的正常工作(如图4)。

石墨烯还有何应用?

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图5 石墨烯的应用前景

说到这你一定很好奇,石墨烯除了具有优越的电热性能,还有哪些神奇之处呢?科学研究表明,石墨烯还具有质量小、稳定性强、比表面积大的特性,使其成为储氢材料领域的关注重点[2];因其具有良好的生物相容性,所以也可作为药物载体和神经接口电极[8]。良好的吸附性能也是石墨烯的一大优势,使其在重金属废水处理、海水淡化等领域发挥着巨大作用[9];力学强度高于钢铁200倍,是航天军工领域的研究热点[1];可见光透过率为97.7%,在液晶显示、光板制造等领域同样有着广泛的应用前景[10]。诸如此类的优越性能与众多领域的广泛应用,不胜枚举(如图5)。

如何获得石墨烯?

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图6  “撕胶带法”制备单层石墨烯[11]

那么如此神奇的材料究竟是怎样诞生的呢?2004年英国曼彻斯特大学的两位物理学家,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,利用透明胶带对天然鳞片状石墨进行无限二分(如图6),用“铁杵磨成针”的坚持,终于得到了很薄的石墨薄片——石墨烯[2],打破了“热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下自由存在”理论,获得了2010年的诺贝尔物理学奖。两位研究者所使用的“撕胶带法”属于“机械剥离法”,此种方法虽然可以得到微米宽度的石墨烯片, 但费时费力,不适合大规模的生产和使用[10]。现在制备石墨烯的主流方法有氧化还原法、甲烷还原法等,制作成本相比最初已经大大降低,使得石墨烯越来越走进我们的生活。

人类的发展历史正是对物质与材料的利用历史,碳材料从几千年前作为烹煮食物的木炭,到几百年前作为工业革命的煤炭燃料,再到今天以石墨烯等新型材料的形态面世,无不彰显着科技的进步与人类的发展。

石墨烯被科学家称为“黑金”、“新材料之王”,甚至被预言将“彻底改变21世纪。”相信继续探索石墨烯等碳材料的非凡之处,必将给人类打开一扇新的大门,带领我们进入一个全新的世界。