中科院再创奇功!特种材料取得突破,性能提升千倍,或志在太赫兹

作者: cnpim CNPIM 2020年11月17日

  常言道“科技兴国”,一个国家要实现质的飞跃,就必须具备一定的科技实力。正是认识到这个问题的重要性,我国才会连续出台诸如“万众创新”这样的科技强国政策,我国的科技创新活力才能不断迸发,甚至成为中国经济发展的重要动力之一。
 
  而在当今信息数字化时代,“芯片”算作一个科技企业的灵魂,没有性能强大的芯片作为支撑,产品就没有竞争力,最终只能被市场淘汰。正当我国科技企业忧心忡忡之时,另一种材料芯片走进了大家的视野。这款芯片就是“石墨烯芯片”,其制造工艺与“硅基芯片”有本质区别,如果采用这一技术,或许当前中国科技公司可以摆脱对国外芯片的依赖。
 
  那什么是石墨烯材料呢?事实上人们普遍认为,石墨烯是21世纪的“魔力材料”,其起源并不引人注目,最早出现于2004年,当时两位曼切斯特大学教授用透明胶带将石墨烯从一块石墨上剥下。直到现在,全世界的科学家仍然在研究大规模生产石墨烯的新方法,毕竟石墨烯的用途非常广泛,最早商业化的可能是移动设备、航空航天、新能源电池等领域。
 
  石墨烯的两位发现者
 
  具体地说,所谓的石墨烯,实际上是由碳原子组成的。一开始,人们试图将不同的碳原子结合在一起制造新材料,结果产生了碳纤维,接下来是碳纳米管,接着是石墨烯。发现石墨烯使两位发现者获得诺贝尔物理奖,石墨烯的发现过程也颇具传奇色彩,其发现者之一,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授,竟用反复将石墨粘在胶带上的方法,发现了石墨烯!
 
  石墨像书一样,石墨烯是书的每一页,两位教授所要做的就是用透明胶把书中最后一页前的所有页码都去掉。它本来就存在,只是在自然界中很难分离出来而已。正常情况下,我们用铅笔在纸上画出一道黑线,它可能是由几百层石墨烯的层叠而成。为什么仅仅因为发现了这么薄(碳原子厚度)的石墨烯,就可以获得诺贝尔奖呢?这就要从这种材料的重要性说起了。
 
  1、石墨烯是人类第一次发现的二维材料,也是最轻的材料,一平方米的石墨烯,重量仅为0.77毫克,但其重量在4公斤以内!
 
  2.它是目前所知的最坚硬的材料之一,其硬度超过钻石,是钢铁的300倍。
 
  3、石墨烯的热传导比目前所有已知的物质都要快!而且其导电性能也优于铜。
 
  4.石墨烯具有透明性,单层可达97.7%。
 
  可以弯成任何形状的物体。
 
  上述特点使得石墨烯被人们称为人类的“梦想材料”,更有人称之为“材料之王”。复合石墨烯能产生多种不同的颜色和性质,它的应用领域已涉及到汽车、电子、海水淡化、航空航天等。
 
  此前,中科院又传来了一个振奋人心的好消息,中国科学家研制出了一种全新的石墨烯电子元件。石墨烯电子器件是一种特殊材料,可用于各种电子产品,而使用这种全新石墨烯电子器件的电脑工作效率比普通电脑要高1000倍,也就是说,电脑的反应时间可以减少1000倍。中国这次生产的石墨烯电子元件的性能比美国同类产品要好得多。
 
  由于特殊材料石墨烯具有相当优异的导电性能,其极高的导电性可以使电子设备的信号传导时间减少一千倍,具有十分重要的军事意义。可显著提高军用弹道计算机性能的最直接的例子,对我国的航空发动机发展也具有重要意义。
 
  大家都知道,航空发电机一直是我们国家的科技短板,只能靠进口来满足生产需要,不仅需要花费大笔资金,而且时常会受制于人。通过对石墨烯电子元器件的研究,发现石墨烯具有高强度和低总量的特点,甚至能承受3800度的高温辐射,如果将石墨烯应用于发动机叶片涂层,可大大提高航空发动机的使用寿命,在一定程度上增强我国航空领域的实力。此外,石墨烯还可应用于太赫兹雷达,使其性能得到显著提高。大家知道!在军事领域,太赫兹雷达还具有独特的优势,可弥补光学、红外和传统雷达等技术在探测慢速运动目标方面的不足,而且其成像分辨率极高,成像时间短。所以,它在战场侦察、目标识别和跟踪中有着非常广泛的应用。
 
  更值得注意的是,在现代战争逐渐进入隐身化模式之际,太赫兹雷达的出现就显得十分及时。尽管,现在已有量子雷达探测隐身,但毕竟“技不压身”,太赫兹雷达也是反隐身的利器。我们知道,太赫兹波段对微波吸收材料有很好的投射性,而且它也能通过等离子体传播,所以,不管是基于形状隐身还是基于涂料隐身,甚至是基于等离子体隐身,太赫兹雷达都无法逃脱“法眼”。
 
  此外,许多雷达在恶劣天气条件下,往往需要多次成像,但中国航天科工二院23所机载雷达副总设计师李军介绍说:“太赫兹雷达成像系统相对于红外光学成像系统,具有较强的穿透能力,即使在烟尘、雾霾等环境中,也能对地面目标正常成像,且不受光照条件的影响,能真正地满足任何时候的应用要求,是一种极具发展潜力的新雷达技术。而且,尽管这是我国第一台太赫兹视频合成孔径雷达,但它并非在世界范围内。现在,像U-2,SR-71侦察机,F-15,B-2轰炸机等等,都有这样的雷达。我国从上世纪70年代中期就开始研制这类雷达,目前已进入实际应用阶段,除军事领域外,已广泛应用于国土测绘、城市规划、抢险救灾等领域。
 
  例如,现在的5代机是最先进的战斗机,它最大的特点就是隐身性,能不假思索地潜入对手的空域,然后突袭。而且太赫兹雷达是五代隐身战机的“天敌”,在太赫兹雷达的“闪光之处”,隐身战机也无处可逃,即使是美国的F-22和F-35也不例外!而石墨烯材料的突破,给太赫兹雷达创造了推手,未来发展必会一往无前。
 
  另外,不得不提到的一点是,在石墨烯材料的突破方面,中科院的科研人员也有一定的贡献,但是说到这些成就,不得不提一位叫曹原的年轻科学家。由于正是曹原的研究发现,才有了石墨烯可以成为超导材料的说法,而且曹原对石墨烯超导材料的研究非常深入,中科院这次成功制备新材料,也离不开曹原的研究发现。尽管石墨烯这类超导材料目前还没有实现商业化,但曹原的贡献在国际上已得到肯定。每年由《自然》杂志评选出来的科学家中,曹原凭借自己的研究成果名列前茅。

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