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AG用透明胶带发现石墨烯
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2016-1-3 14:35:36 阅读:1999次 【字体:
 

 

透明胶带发现石墨烯 

关键词:石墨烯、安德烈·海姆(Andre Geim,AG)、羽落术、壁虎胶带、透明胶带撕出来的石墨烯

描述:英国曼彻斯特科学家安德烈·海姆(Andre Geim,AG),在一种高分子材料(聚酰亚胺)上进行刻蚀,制造出单个微突起直径为500nm,高2μm,以间隔1.6μm周期性排列的表面。制作了一片小小的胶带。这种胶带中每0.5平方厘米负重可达300克的物体AG真的反复用透明胶带粘在石墨上,然后一遍又一遍地撕胶布,直到胶带上的石墨越来越薄,直至一个原子的厚度,也就是获得了单层的石墨,又被称为——石墨烯。在石墨烯中,六边形的原子结构清晰可见AG再次向世人证明,解决具有挑战性的科学问题,往往不需要用高深的理论或复杂的仪器,需要的,更多地是人们对日常生活细致的观察与灵活地运用

英国曼彻斯特科学家安德烈·海姆(Andre Geim,AG)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)于2004年问世,发现石墨烯的凭借着这一发现获得2010年诺贝尔物理学奖。

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石墨烯将取代硅,为世界电子科技开创一个崭新的时代!

石墨烯手机充电时间只需5秒,电池就满档,可以连续使用半个月!

石墨烯电池只需充电10分钟,环保节能汽车就有可能行驶1000公里!

他曾一无所有,他将拥有一切。他神一般的存在,只为证明一个真理:好奇心才是科学的第一推动力!

Andre Geim(以下简称AG)。他的科学才华无与伦比。在他的眼中,科研是一个满足自己好奇心的游戏。并且在十几年的时间中,玩耍出了很多惊世骇俗的科学成果,让所有苦行僧一样的科研狗们羡慕不己。

AG在1987年他拿到自己的博士学位后,进入俄罗斯科学院,开始了一条科研狗的生活。

AG找了个机会跑到英国做博士后,随后几年中又分别去了丹麦、荷兰,其实就是去这些发达国家的实验室里打工挣钱养家糊口。

由于之前一直没有做出什么亮眼的成果,也没有发过什么好paper。所以,AG到哪儿都是一个无名小卒,无人问津。时间一晃,他已经36岁了,基本上一事无成。没有自己的科研团队,没有研究方向,更没有丰厚的科研经费。

一个偶然的机会,AG成为荷兰一所大学的副教授。为了能专心做科研,不再为五斗米奔波,他选择加入荷兰国藉。吃饭问题解决后,他那被雪藏已久的逗逼气质,渐渐地苏醒了,有如黄河泛滥,一发不可收拾。

他所在的实验室中,有一台能产生20特斯拉的超导磁铁,几乎是人类制造出的最强磁场。嗯。。。这个怎么形容呢,就是比我们日常见到的电磁铁磁性强几十甚至上百倍吧。如果在这样的磁场周边放上刀叉之类的铁器,估计会马上变成小李飞刀。

然后,没有科研经费的AG,就打起了这台超导磁铁设备的主意。

磁学有一个特别有意思的特性,就是当物体在磁场中运动时,物体中会产生与运动方向相反的力,抵抗物体的运动。

大家只要记住一点就够了:所有的物质都有抗磁性,也就是会抗拒被磁场磁化。只不过有些物质的顺磁性或铁磁性太强,如磁铁,将抗磁性掩盖了,从而表现出磁性。另外,由于抗磁性系数不同,产生的斥力大小相差也很大。

那么,磁学的这一个特性,有什么好玩的地方呢?看看下面令人大开眼界的动图。

这个有趣的现象又被称为“羽落术”。这里使用了一块钕磁铁和一只粗铜管。钕磁铁产生磁场,而铜是优良的抗磁性物质。运动的磁场与铜管相互作用,铜内产生感应电流,通过电磁作用产生向上的斥力阻碍了钕磁铁下落。从而,产生画面中重物在空气中缓慢下落的神奇效果!

AG终于要登场了。吃饱喝足后,他的逗逼创造力,绝对可以在科学史上写下浓墨重彩的一笔。

于是,他逗逼的往20特斯拉的磁场中倒水。没错,就是倒水

上帝的秘密就这样被AG发现了。一滴浑圆的水滴,像失去了重力一样悬浮在磁场中。它就在那里,不上不下,不悲不喜,不离不弃。

水为什么会悬浮在磁场中呢?其实,水分子也具有抗磁性,只不过非常小,如果是一般的磁场,产生的斥力与水滴受到的重力相比,完全可以忽略不计。但AG所用的磁场是如此之强,足以使水滴克服地球重力悬浮起来。

当然,作为一个被压抑了多年的科学逗逼来说,AG绝不会满足于把一滴水悬浮在空中,因为那样太不够逗逼精神了!!生物体内绝大多数都是水份,而且,蛋白质等也是抗磁性的。问题来了:生物如果在强磁场中,会像水滴一样悬浮起来吗?于是,他把活的生物体也扔到了那个威力巨大的强磁场中。其中,最搞笑的是一只青蛙。
当青蛙被放到磁场中,青蛙的每个原子都像一个小磁针,外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力,如果磁场的强度适当,这力与青蛙受的重力达到平衡,它们就能悬在空中。悬浮的青蛙,也为AG赢得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖。

这只青蛙,大概是第一个没有受外力作用,比如气流等,而能够在地球上悬浮的活体生物了。

嗯,说到这里,大家肯定自然而然地会想到,人体是否也能悬浮在磁场中。从理论上说,是完全没有问题的。利用抗磁原理,只要用足够强的磁场,经过周密的设计,将来就有可能使人体在磁场中悬浮起来。

AG的本色并未就此停止,他后来做的一系列逗逼科研更是有增无减,甚至为他赢得了真正的诺贝尔奖。

AG发明了一种胶带。嗯,先别急,如果你知道这个胶带的背景,就知道这个发明有多脑洞了。

人们曾经以为壁虎的脚掌能在各种材质的墙壁上行走,是由于粘液或脚掌上小吸盘的帮助。但这些假设很快被实验推翻了。简单想一想就能明白,如果壁虎是被粘液或吸盘牢牢地吸附在墙上,它怎么能够灵活地迈步呢?所以,壁虎行走的迷题一直没有很好的解释。

直至2000年,美国科学家用电镜放大观察壁虎的脚掌,发现壁虎的脚掌充满了无数小的毛状物体。由于这些物体比较硬,又称为“刚毛”。那些看似小钩子一样的刚毛末端,实际上是开叉的,每根刚毛都分成了100-1000根更细的绒毛,这些绒毛的尺寸小到纳米级品。

因为这些绒毛如此之小,以至于整体的表面积大大提高。极大的增加了壁虎脚掌的表面积,特别是当壁虎攀在那些粗糙的物体表面时,这些绒毛更能填满那些细小的坑洼。

现在要说的,就是壁虎最牛B的地方了。它根本不是靠人们想像的宏观条件下的力吸附。它依靠的是刚毛上的小绒毛,与墙壁产生的范德华力——也就是说,是它脚掌上的分子与墙壁分子间产生的力!

说到范德华力,是一种发生于分子与分子之间的吸引力。下面的小实验可以让你体会到范德华力的力量。

找两本厚一点的书,最好是纸张薄软一点的,像洗牌一样把两本书的书页一张压一张的叠在一起。全部叠完后用手压一压,然后分别抓住两本书的书脊,试试能把它们拉开吗?把两本书“粘”在一起的力量,就是范德华力。

如果你没有耐心把两本书一页一页的交叠,也可以去买一部新手机。很多人都特别享受揭开新手机屏幕保护膜的那个瞬间,其实那层膜就是靠范德华力“粘”在手机屏幕上的。

相比让原子构成分子的那些作用力,范德华力很小,生活中我们往往不会在意到它的存在。但是这个很小,只是相对来说的。亿万根这样的绒毛足以产生巨大的吸引力,从而可以使得壁虎爬上任何物体表面,甚至玻璃的天花板。有科学家测算,壁虎脚掌上刚毛产生的吸附力,可以达到其体重的50倍。

人类文明发展了上万年,也就是近一、两百年,才开始认识到原子、分子间力的作用。而壁虎,则早已运用分子间的范德华力吸附在墙上傲娇几百万年了。壁虎脚掌这么好玩的课题,当然不会逃脱AG的视线,他一时兴起,就想试试能否做出像壁虎脚掌一样的胶带。这种胶带最大的优势是可以反复使用,而且吸附力强大。未来,人类也可以像壁虎一样自如攀爬高楼,

于是,他模拟壁虎脚掌的结构,在一种高分子材料(聚酰亚胺)上进行刻蚀,制造出单个微突起直径为500nm,高2μm,以间隔1.6μm周期性排列的表面。制作了一片小小的胶带。放大后,胶带表面是这个样子的(密集症患者回避~~~)这种胶带中每0.5平方厘米负重可达300克的物体。如果要把一个人粘在墙上,用一张A4纸大小的胶带就足够了。而且这种胶带可反复使用,被称为“壁虎胶带”。这一次,他还是不改逗逼本色,把蜘蛛人(模型)牢牢地粘在天花板上。于是世界媒体又沸腾了这是人类为数不多地仿照动物身体微观结构,制造出的神奇材料。

仿生材料学,自此进入研究高潮。

现在,全世界都对AG充满了期待——他又会玩出什么让人眼前一亮的科学成果呢?

受AG的启发,美国的科学家们已经真正地发明出了“壁虎面板”。并且成功地攀爬上一面二十几米高的高墙

时间又到了2004年,这一年,AG想玩一次大的。

现代人类对于物质结构已经有了一个相对明确的认知。如果从原子尺度观察物质结构,原子们就是像搭乐高积木一样构建出我们这个千变成化的物质世界。

而在人们所认知的结构中,石墨绝对是一个另类。

石墨的晶体结构是层状的,靠微弱的范德华力把相邻的两层贴合在一起。层与层之间充斥着大量的电子,因此,石墨是良好的导电体。

而单个石墨层,则是碳原子与碳原子相互连结形成正六边形,并延伸成一张无限大的原子网。这张网上的原子连结的是如此结实,以致于这张网比钻石还硬。

有过削铅笔经验的小伙伴们都很清楚,铅笔中的石墨芯是很软的,而且很容易就掰断了。用铅笔书写,其实就是一个将芯上脱落的石墨颗粒留在纸面上过程。

这是因为石墨相邻分子层粘合的力很弱。石墨层很容易发生相互移动或剥离。随着现代化科学仪器的不断进步,人类研究的尺度也越来越小。已经进入到纳米、甚至更小的原子级别。然而,尽管人们对石墨的结构已有了完全的认识,甚至预言了单层的石墨可能会具有非常好的物理性质。但如何把石墨不断地磨薄,薄到只有一个原子的厚度,这个世界难题还是让所有的科学家们望而却步了。

于是,AG果断地把一块石墨递给一个研究生:“去,把它磨到最薄!”

那个研究生当时就晕菜了。。。铁杵磨成针已是极致,你居然让我磨到原子量级。。。

于是这个研究生天天苦逼地磨石墨,几个月后,已经磨到最薄,实在磨不下去了。拿来一测量,还有几千个原子层厚,他绝望了。。。于是撒手不干,老子不玩了。

此路不通,AG只好再寻他途。这时,他看到学生用透明胶带贴在石墨表面,就问学生为什么这么做。学生说胶带可以把表面一层脏的石墨撕下来,再用干净的表面来磨。

瞬间,AG的脑洞亮了。他把撕后的胶带放到显微镜下观察,发现胶带上的石墨厚度比那个研究生辛苦磨出来的石墨片薄多了,有些甚至只有几十个原子层厚。

于是,史上最简单粗暴,骇人听闻的科学实验诞生了!AG真的反复用透明胶带粘在石墨上,然后一遍又一遍地撕胶布,直到胶带上的石墨越来越薄,直至一个原子的厚度,也就是获得了单层的石墨,又被称为——石墨烯。

在石墨烯中,六边形的原子结构清晰可见

大家应该都有过用胶带粘纸上的错字的经历。而AG制备单层石墨烯的过程与之类似。

AG再次向世人证明,解决具有挑战性的科学问题,往往不需要用高深的理论或复杂的仪器,需要的,更多地是人们对日常生活细致的观察与灵活地运用。

面对用透明胶带撕出来的石墨烯

拥有搞笑诺贝尔物理学奖的逗逼之神AG,因为率先做出石墨烯并测试了相关的物理性能,获得了2010年诺贝尔物理学奖。这一次,是货真价实的诺贝尔奖。

关于石墨烯,有人把石墨烯喻为人类在21世纪最重要的材料。石墨烯导电性极好,而且几乎透明。未来几年将运用到手机屏中。

而且石墨烯强度极高,秒杀钢铁等材料。已经有人脑洞大开,准备未来用石墨烯修建通往太空的轨道。

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