超越人类认知的石墨烯泡沫幽灵一样存在着!

石墨烯被公认为是21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。石墨烯作为一种具有异乎寻常特性的极薄的碳原子材料,因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积,吸引了化学、物理、材料、能源、环境以及跨学科领域人员极大的研究热情,在触摸屏、传感器、电池、过滤系统以及太阳能电池上有很多前沿技术应用。

石墨烯与泡沫材料聚合物(简称石墨烯泡沫材料,以下同)的开发是石墨烯迈向实际应用的一个重要研究方向。由单原子厚度的石墨烯材料混合其他材料发泡制成的石墨烯泡沫,有着与生俱来傲娇冷艳的特质,像气球一样轻盈,却像金属一样坚固,以至于因研究石墨烯材料而获得诺贝尔奖的安德烈·海姆先生惊叹:这些气泡是无处不在!石墨烯与泡沫材料将各自优势完美联姻,增强了结构和性能,尤其是特殊功能满足了一些重要领域的迫切需求,成为中外科学家近几年重要的研究方向。

石墨烯泡沫,简直幽灵一样的存在!以下研究实验足以超越我们人类的现有认知。

石墨烯泡沫,可以承受巨大的压力。曼彻斯特大学的研究团队通过实验表面,微米大小的石墨烯泡沫可以承受约200帕斯卡,而泡沫小于10纳米可以承受1吉帕斯卡的压力。承受力度超过每平方英寸1.45万磅的外力的重击也不成问题。

(a-c)不同形状石墨烯泡沫的原子力显微镜图像比例尺:500nm(a);100nm(b);500nm(c)。右侧竖直的比例表明的是泡沫的高度

中科院上海研究所研制出与钻石同等稳定性的蜂窝状结构的石墨烯泡沫,强度比同重量的钢材要大207倍,能够支撑起相当于其自身重量40万倍的物体而不发生弯曲;还可以被挤压成其原始大小的约5%,而且依然能够恢复其原来的形态,而且即使这一过程重复1000次还能保持完好无损。

因石墨烯泡沫强劲的抗压力特性,可用在防弹衣的夹层材料和坦克表面的缓冲垫,以吸收来自子弹、炮弹、火箭弹的冲击力,也可将其研发成保护装甲车和其他军用运输车的机动性防护装备。

近些年来清洁能源得到高效开发,但即便如此,世界各地仍在消耗石油。只要石油这一能源在世界各国运送,那么石油泄漏则是无法规避的现实,Graphene 3D Lab研发的创新型石墨烯泡沫材料可以保证高效清洁被泄漏的石油及污染物,成为土豪国家解决石油泄漏非常抢手的高技术清理解决方案。

这种密度约为20毫克/立方厘米的超轻质石墨烯泡沫材料,比空气重约17倍(水的密度比空气的高784倍)可以吸收3500%至8000%的有机溶剂或油中的重量,所有这些都完全不受水的影响。该材料已被证明在下一代能源存储设备、化学催化剂、超灵敏的传感器等方面具有潜在的应用。

中科院新疆研究所也设计了具有超疏水特性的油水分离用石墨烯泡沫材料,水的接触角为153°,提高材料油水分离的效率,保持了石墨烯泡沫的三维结构,对油及有机溶剂具有良好的吸附性能。

由于该材料具有很好的疏水性质,材料在油水分离过程中,分离效率得到了明显的改善。因此,该材料既可以作为吸附材料使用,还可以作为过滤膜材料使用。

兰代尔夫特理工大学利用石墨烯泡沫色变效应可作为未来新型显示技术的可能性选择。通过“机械像素”最终可以使屏幕比当前的 LED 屏幕更灵活,耐用,节能。

研究人员在使用覆盖石墨烯的氧化硅板过程中发现了这种现象:氧化硅板上有大约人类头发十倍宽的孔洞,而石墨烯则可以横跨这些小孔。使用这些样品时,研究人员注意到随着石墨烯的气泡随着膨胀和收缩会改变颜色。当压力变化时,气泡变成凹状或凸状,从而改变光线折射角度,让气泡产生不同的颜色。

普渡大学研究人员开发使用石墨烯泡沫作为推进剂配方,可以显著改善添加剂的燃烧速率和可重复使用性。

研究小组开发了制造和使用固体燃料的组合物的方法,将固体燃料负载在高导电性、多孔结构的石墨烯泡沫上,以提高负载固体燃料的燃烧速率。测试表明,使用功能化的石墨烯泡沫结构,燃烧速率提高了9倍。

石墨烯泡沫具有超轻质和高度多孔性,意味着可以在这些孔中倒入燃料来帮助点燃火箭发射。石墨烯泡沫结构在高温下也表现一定的热稳定。具有的3D互连结构和更有效的热传输路径,可以使热量更快速的扩散并点燃推进剂。

这种石墨烯泡沫可应用导弹防御系统、航天器、火箭、超音速以及特定制纳米材料领域。

在传统泡沫材料中,电学性能通常不是最关键的性能。但是,三维石墨烯泡沫材料则截然不同,继承了单层石墨烯卓越的电学性能,为理论研究提供方向,突破了在功能器件方面的创新应用。

中科院力学研究所研究员提出了一种理论框架,系统研究了三维石墨烯泡沫的导电性能,并在该体系中发现了电导率极大现象,即随石墨烯薄片层数的增加,电导率先增大后减。该工作为优化三维石墨烯泡沫材料的导电性能提供了理论基础,并将促进该材料在功能器件方面的应用。

图1.理论框架。(a)第一级:研究石墨烯薄片间的电导。(b)第二级:提取平均接触面积、平均接触点密度等几何特征。(c) 理论计算结果表明存在电导率极大现象。

图2. 外载作用下,三维石墨烯泡沫材料的电阻变化规律。(a)不同应变下,三维石墨烯泡沫材料的结构演化。(b)电阻随应变的变化。(c)循环加载下电阻的变化。(d)第七次循环加载下电阻随应变的变化。

具有轻质和出色导电性的三维结构石墨烯泡沫是一种高效的电磁干扰屏蔽材料,可用于管理日益严重的电磁污染。

近年来随着半导体技术和光电子技术的发展,尤其是超快激光技术的发展,太赫兹技术得到了极大的发展。太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一,被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

太赫兹波段覆盖范围广,具有非常好的时间和空间分辨率,能穿透非透明非极性材料,并且能量低,不会损坏被检测物质,对大部分生物细胞也基本无害。由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置,且具有很多其它波段不具备的性质和优点,使得它成为物理、化学、军事、材料等多个领域关注的焦点。

有效隐身频率范围宽:不同热处理温度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射损耗

针对传统隐身材料无法有效对抗太赫兹波探测的挑战,南开大学研究人员提出了利用石墨烯泡沫作为太赫兹隐身材料的新思路。实验有效证明:石墨烯泡沫在0.64 THz实现了28.6 dB的太赫兹吸收效率,其有效隐身频段覆盖了整个测试频段,性能远优于大多数的公开文献。而且,三维石墨烯的比吸收性能(SATA)超过其他材料3000倍以上。石墨烯泡沫结构有效降低了材料的有效介电常数,使得太赫兹波在材料表面的反射率大大降低,能够轻松进入材料的内部,太赫兹吸收效率高,有效隐身频率范围宽,适用太赫兹波入射角度广。

图:适用太赫兹波入射角度广:不同入射角下石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射损耗

现有的吸波材料只能对抗GHz频段的雷达探。

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