石墨烯: 芯片里的“黑洞”

責任編輯:zsheng

作者:楚江新材

2018-06-22 20:22:08

摘自:同花順

科學家們對石墨烯這一物質(zhì)的出現(xiàn)感到極其興奮,認為它具有巨大的工業(yè)潛力,甚至預言它會顛覆由硅主導的芯片時代,在未來掀起一場技術革命。

科學家們對石墨烯這一物質(zhì)的出現(xiàn)感到極其興奮,認為它具有巨大的工業(yè)潛力,甚至預言它會顛覆由硅主導的芯片時代,在未來掀起一場技術革命。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,成功從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,兩人也因此共同獲得2010年的諾貝爾物理學獎。

那么,你是不是很想知道石墨烯究竟是何方神圣呢?

未來神奇材料

石墨烯是從石墨材料中剝離出來的、由碳原子組成的二維晶體。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層或者僅僅一層石墨烯。

石墨烯大概有一層原子那么厚,雖然是最薄的納米材料,但一點都不影響它的強韌性。由于碳原子之間化學鍵的特有性質(zhì),石墨烯甚至比鋼還強韌、比鉆石還堅硬。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克的吊床便可以承受一千克物體。

同時,它還是地球上導電性最強、幾乎透明的材料之一,這也是石墨烯最有潛力的應用——取代硅,提高電池效率,改善電腦、手機觸摸屏的效率。據(jù)說用石墨烯代替硅,計算機處理器的運行速度將快上數(shù)百倍。

種種優(yōu)點使得石墨烯深受科學家們的歡迎,成為工業(yè)的新寵兒。但是不得不說,想要將它生產(chǎn)出來卻不是一件容易的事。石墨烯一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯,目前很難剝離出單層結(jié)構。若要產(chǎn)出沒有雜質(zhì)的純凈石墨烯,更是難上加難了。因此,石墨烯的發(fā)展道路可謂是“前途光明,道路曲折”。

石墨烯的有趣新特性

我們需要更深入了解這一神奇材料,才能克服它的生產(chǎn)問題。科學家們觀察到,在電場作用下,和一般金屬的帶電粒子相比,純凈石墨烯中帶電粒子的行為有點“異常”,它們會以相當快的速度互相撞擊。與之相反的是,普通金屬內(nèi)部帶電粒子之間幾乎沒有任何交流和互動。為什么石墨烯的帶電粒子會表現(xiàn)得如此瘋癲呢?

原來,這跟石墨烯的結(jié)構有關。石墨烯有一個二維蜂窩狀結(jié)構,而普通金屬內(nèi)部是三維結(jié)構。石墨烯這種特殊的二維蜂窩狀結(jié)構就如同一條“粒子高速公路”,使得所有帶電粒子(其中一些帶正電荷,另外一些帶負電荷)必須從這條高速公路中通過。它們以極快的速度運動——光速的1/300,在狹路相逢的情況下相互撞擊,室溫條件下每一秒會碰撞對方10萬億次。

而且,研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)部的活性粒子在發(fā)生強相互作用時,其表現(xiàn)出的“行為”類似于水那樣的流動液體,而穿過粒子的能量就像是在水中傳播的波一樣。這種情況可以用流體力學來描述,他們?yōu)榇诉€計算出了“石墨烯的相對論流體力學”模型。而無論是內(nèi)部電子的瘋狂相互碰撞,還是流體模型,在普通金屬中都是從未有過的情況。

芯片里的“黑洞”?

相對論流體力學一般只有在分析黑洞和弦理論時才會用到,可是在研究石墨烯時竟然也會出現(xiàn)這種特性,這讓研究人員很是驚訝。這意味著,一片小小的石墨烯,或許就可以模擬宇宙內(nèi)部其他高能量系統(tǒng)的流體狀情況。

那么,簡簡單單的石墨烯和復雜的宇宙天體相關聯(lián)的具體情況是怎樣的呢?

首先我們知道,世界大多數(shù)的情況可以用經(jīng)典物理學來解釋,比如水是如何流動的?一顆球從高處拋下后的下落曲線是怎樣的,等等,這些只需用經(jīng)典物理學中的力學知識就能解釋。另一方面,如果是非常微小的物體,比方說電子,就可以用量子力學來解釋和描述。而對于非常巨大且運動速度非??斓奈矬w,如星系,則需要用愛因斯坦開創(chuàng)的相對論物理學來描述。

但這并不是絕對的。比如在解釋宇宙中的超新星和黑洞等高能量系統(tǒng)時,就可以將其中兩者結(jié)合起來:愛因斯坦的相對論和經(jīng)典物理學中的流體力學。

對于人類目前的技術而言,在地球上模擬黑洞這樣的高能系統(tǒng)可以說仍然遙不可及。相比之下,利用具有相同“相對論流體”的石墨烯來模擬黑洞、超新星的行為而進行的實驗,則要簡單得多。這可能意味著,石墨烯制成的芯片不僅很有希望成為下一代超薄電子產(chǎn)品的候選者,為我們帶來更快的數(shù)字運算,可能還有助于科學家了解發(fā)生在宇宙遙遠的另一端天體內(nèi)部的復雜量子現(xiàn)象。至于具體如何模擬,我們還得耐心等待科學家們的新消息。

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