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降維而生的石墨烯,未來手機上的黑科技

2019年4月11日 07:49  CCTIME飛象網  作 者:魏德齡

飛象網訊(魏德齡/文)“石墨烯”一詞從去年開始越來越多的出現在不少智能手機的產品曝光信息中,從目前的消息來看,石墨烯電池將有望今年在手機中得以應用,未來還將在折疊手機、透明顯示屏上得以應用。不過,石墨烯材料對于很多人來說還是一個名字熟悉,概念陌生的事物,想要了解石墨烯,還要先從初中課本中的同素異形體說起。

 

揭膠條揭出來的石墨烯

中學的化學課程中,每個學生都學過關于同素異形體的課程,對于碳元素來說,由于排列結構的不同,而形成完全不同性質的物體。比如,經常出現的一道考題便是,讓學生在選項中多選同素異形體,其中自然有碳14、鉛筆尖、鉆石,三者均由碳元素組成,只不過由于排列結構不同,所以產生完全不同的物理特性。

例如金剛石的結構為等軸晶系四面六面體立方體與六方晶系鉆石,碳原子按四面體成鍵方式互相連接,組成無限的三維骨架,是典型的原子晶體,從而也形成了穩固的結構,間接使金剛石獲得了硬度大,熔點極高,不導電的特性。

再來看石墨的結構,每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子一個平面,同時每個平面一層一層的相互平行鏈接,同時也讓石墨具備了柔軟、導電導熱、可塑性強的特點。

顯然,如果能讓石墨變得更加結實牢固穩定,在各種應用中可以有著更大的發揮空間,但通過同素異形體的邏輯,石墨的碳原子結構也需要做出改變。在2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶粘在石墨上,然后撕下來,發現膠帶上粘上了一層薄薄的石墨片,使用此方法反復,最終粘出了一個單層的石墨,即僅有一層原子,人類首次成功在石墨中剝離出了石墨烯,兩位教授也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

從結構上看,石墨烯就是將原本擁有多個平面結構的石墨,變為了僅剩一層平面結構,由于厚度僅為一個原子,也讓石墨烯可以稱之是在這個三維世界中的一個二維材料,所以也為稱為“二維碳材料”。這樣的結構讓石墨烯具備了超強的物理特性,首先它是目前已知強度最高的材料,由于是二維材料,也完全不受彎折的影響,具有很好的韌性,在較寬波長范圍內吸收率約為2.3%,看上去幾乎是透明的。同時,還有不錯的導電性及很好的熱傳導性。

 

未來手機上的黑科技

基于石墨烯的物理特性,也讓這種材料被不少手機廠商視為未來科技領域的重要材料。

由于石墨烯本身看上去幾乎是透明的,所以這種材料還被看做未來實現電子產品透明可折疊的關鍵所在,目前科學家已經具備制造出導電性能優良和透光率達到97.4%的柔性石墨烯材料,用作觸摸屏透明導電電極,完全可以替代導電玻璃,并且性能也完全優于原有的氧化銦錫材料,同時由于材料本身的高韌性,還能免遭碎屏的煩惱。三星、LG在近年來一直在進行石墨烯顯示技術的研發。另在2017年7月,國內奧翼電子公司宣稱率先將石墨烯用于顯示技術,研制出了全球首款“石墨烯電子顯示屏”。這家公司在2016年還宣布成功研發出全球首款石墨烯電子紙。

2016年,重慶高交會中科院展區還展示出了一款可以彎曲的石墨烯柔性屏手機,屏幕有5.2英寸大,重量只有200多克,可以彎曲成一個圓環,像手表一樣戴在手腕上。 該產品中的手機屏幕采用石墨烯材料,因而可以彎曲,不能彎曲的電池等元器件放在兩端。

早在2014年,華為任正非便在接受采訪時表示,這個時代將來最大的顛覆,是石墨烯時代顛覆硅時代,但是顛覆需要有繼承性發展,在硅時代的成功佼佼者最有希望成為石墨烯時代中的佼佼者。2015年10月,華為還宣布與曼徹斯特大學合作研究石墨烯應用,通過上文可以了解到合作方正是最早發現石墨烯的機構。當時曼徹斯特大學國家石墨烯研究所總監詹姆士•貝克表示:“通過與華為這樣的全球領先科技企業合作,我們有望將石墨烯的研究成果應用于日常用品。這種合作伙伴關系將極大地促進英國商業的發展并吸引外資。我們很期待與華為合作開發消費電子產品和移動通信設備的新材料。”從2018年開始,便開始陸續傳出華為將會在手機中使用石墨烯電池的消息。

盡管目前華為還沒有在產品上得以應用石墨烯,但在去年發布的華為Mate 20 X則在全球率先應用了石墨烯散熱。在Mate 20 X中,主要采用了VC液冷+石墨烯膜散熱的組合,其中將石墨烯替換傳統的石墨作為散熱材料,從而可以更快的將手機產生的熱量向外傳導。華為當時表示稱,該公司使用十幾噸石墨烯原材料,試驗了一年多的世界,才實現納米材料均勻涂布,燒出高導熱的石墨烯膜。

無獨有偶,三星在2017年開始便申請了大量石墨烯有關的專利,在當年年底宣布在在石墨烯電池領域取得了新的突破,報道稱該方案比鋰電池電荷高了45%,充電速度可達目前鋰電池的5倍,手機可以在12分鐘內完成充電,而且具有超強的蓄電能力。據悉,三星將有望2019年年底的手機上采用石墨烯電池。

另有消息稱,蘋果也準備未來的5G版iPhone中采用石墨烯電池,來應對5G所增加的射頻天線模組在功耗上對于手機的影響。畢竟從已經發布的5G產品來看,終端廠商們普遍為其內置了更大容量的電池,機身的厚度、重量相較其他版本都有所增加。對于在電池容量上一直“節儉”,以軟硬件優化為主的蘋果來說,肯定不想以單純增加電池容量來解決問題。

編 輯:值班記者
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