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降维而生的石墨烯,未来手机上的黑科技

2019年4月11日 07:49  CCTIME飞象网  作 者:魏德龄

飞象网讯(魏德龄/文)“石墨烯”一词从去年开始越来越多的出现在不少智能手机的产品曝光信息中,从目前的消息来看,石墨烯电池将有望今年在手机中得以应用,未来还将在折叠手机、透明显示屏上得以应用。不过,石墨烯材料对于很多人来说还是一个名字熟悉,概念陌生的事物,想要了解石墨烯,还要先从初中课本中的同素异形体说起。

 

揭胶条揭出来的石墨烯

中学的化学课程中,每个学生都学过关于同素异形体的课程,对于碳元素来说,由于排列结构的不同,而形成完全不同性质的物体。比如,经常出现的一道考题便是,让学生在选项中多选同素异形体,其中自然有碳14、铅笔尖、钻石,三者均由碳元素组成,只不过由于排列结构不同,所以产生完全不同的物理特性。

例如金刚石的结构为等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体,从而也形成了稳固的结构,间接使金刚石获得了硬度大,熔点极高,不导电的特性。

再来看石墨的结构,每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子一个平面,同时每个平面一层一层的相互平行链接,同时也让石墨具备了柔软、导电导热、可塑性强的特点。

显然,如果能让石墨变得更加结实牢固稳定,在各种应用中可以有着更大的发挥空间,但通过同素异形体的逻辑,石墨的碳原子结构也需要做出改变。在2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带粘在石墨上,然后撕下来,发现胶带上粘上了一层薄薄的石墨片,使用此方法反复,最终粘出了一个单层的石墨,即仅有一层原子,人类首次成功在石墨中剥离出了石墨烯,两位教授也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

从结构上看,石墨烯就是将原本拥有多个平面结构的石墨,变为了仅剩一层平面结构,由于厚度仅为一个原子,也让石墨烯可以称之是在这个三维世界中的一个二维材料,所以也为称为“二维碳材料”。这样的结构让石墨烯具备了超强的物理特性,首先它是目前已知强度最高的材料,由于是二维材料,也完全不受弯折的影响,具有很好的韧性,在较宽波长范围内吸收率约为2.3%,看上去几乎是透明的。同时,还有不错的导电性及很好的热传导性。

 

未来手机上的黑科技

基于石墨烯的物理特性,也让这种材料被不少手机厂商视为未来科技领域的重要材料。

由于石墨烯本身看上去几乎是透明的,所以这种材料还被看做未来实现电子产品透明可折叠的关键所在,目前科学家已经具备制造出导电性能优良和透光率达到97.4%的柔性石墨烯材料,用作触摸屏透明导电电极,完全可以替代导电玻璃,并且性能也完全优于原有的氧化铟锡材料,同时由于材料本身的高韧性,还能免遭碎屏的烦恼。三星、LG在近年来一直在进行石墨烯显示技术的研发。另在2017年7月,国内奥翼电子公司宣称率先将石墨烯用于显示技术,研制出了全球首款“石墨烯电子显示屏”。这家公司在2016年还宣布成功研发出全球首款石墨烯电子纸。

2016年,重庆高交会中科院展区还展示出了一款可以弯曲的石墨烯柔性屏手机,屏幕有5.2英寸大,重量只有200多克,可以弯曲成一个圆环,像手表一样戴在手腕上。 该产品中的手机屏幕采用石墨烯材料,因而可以弯曲,不能弯曲的电池等元器件放在两端。

早在2014年,华为任正非便在接受采访时表示,这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代,但是颠覆需要有继承性发展,在硅时代的成功佼佼者最有希望成为石墨烯时代中的佼佼者。2015年10月,华为还宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯应用,通过上文可以了解到合作方正是最早发现石墨烯的机构。当时曼彻斯特大学国家石墨烯研究所总监詹姆士•贝克表示:“通过与华为这样的全球领先科技企业合作,我们有望将石墨烯的研究成果应用于日常用品。这种合作伙伴关系将极大地促进英国商业的发展并吸引外资。我们很期待与华为合作开发消费电子产品和移动通信设备的新材料。”从2018年开始,便开始陆续传出华为将会在手机中使用石墨烯电池的消息。

尽管目前华为还没有在产品上得以应用石墨烯,但在去年发布的华为Mate 20 X则在全球率先应用了石墨烯散热。在Mate 20 X中,主要采用了VC液冷+石墨烯膜散热的组合,其中将石墨烯替换传统的石墨作为散热材料,从而可以更快的将手机产生的热量向外传导。华为当时表示称,该公司使用十几吨石墨烯原材料,试验了一年多的世界,才实现纳米材料均匀涂布,烧出高导热的石墨烯膜。

无独有偶,三星在2017年开始便申请了大量石墨烯有关的专利,在当年年底宣布在在石墨烯电池领域取得了新的突破,报道称该方案比锂电池电荷高了45%,充电速度可达目前锂电池的5倍,手机可以在12分钟内完成充电,而且具有超强的蓄电能力。据悉,三星将有望2019年年底的手机上采用石墨烯电池。

另有消息称,苹果也准备未来的5G版iPhone中采用石墨烯电池,来应对5G所增加的射频天线模组在功耗上对于手机的影响。毕竟从已经发布的5G产品来看,终端厂商们普遍为其内置了更大容量的电池,机身的厚度、重量相较其他版本都有所增加。对于在电池容量上一直“节俭”,以软硬件优化为主的苹果来说,肯定不想以单纯增加电池容量来解决问题。

编 辑:值班记者
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