石墨烯是什么？What is Graphene? What is graphene? What is Graphene? グラフェンとは？ O que é o grafeno?

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 Hello everyone, I’m Teacher Li Yongle

最近 有个 小朋友 给我发 来 私信 说 Recently, a kid sent me a private message saying

他 听说 一种 概念 叫做 石墨 烯 He heard a concept called graphene

这个 石墨 烯 特别 神奇 This graphene is particularly amazing

他 问 我 石墨 烯 为什么 会 有 这么 神奇 的 性质 He asked me why graphene has such magical properties

它 到底 是 什么 呢 What exactly is it

今天 就 来 给 大家 介绍 一下 I will introduce to you today

我们 首先 要 了解 一个 概念 We must first understand a concept

名字 叫做 同素异形 体 The name is allotrope

什么 叫 同素异形 体 呢 What is allotrope?

我们 知道 自然界 的 物质 都 是 由 不同 的 元素 构成 的 We know that matter in nature is made up of different elements

那么 有 一些 物质 Then there are some substances

它们 是 有 相同 的 元素 构成 的 They are composed of the same elements

但是 它们 表现 就 很 不 一样 But they behave very differently

原因 是因为 分子结构 的 不同 The reason is because of the difference in molecular structure

比如说 呢 我们 平常 呼吸 需要 用 氧气 For example, we usually need oxygen to breathe

氧气 是 由 两个 原子 构成 的 两个 氧原子 Oxygen is two oxygen atoms made of two atoms

那么 还有 一种 叫做 臭氧 Then there is another kind called ozone

这个 臭氧 其实 也 是 由 氧原子 构成 的 This ozone is actually made up of oxygen atoms

只不过 它 是 3 个 氧原子 It’s just 3 oxygen atoms

那 它们 两个 之间 就是 同素异形 体 Then the two of them are allotropes

而且 它们 的 化学性质 很 不 一样 的 And their chemical properties are very different

比如说 氧气 是 我们 所 需要 的 For example, oxygen is what we need

但是 臭氧 浓 一旦 高 了 人 就 会 中毒 Aber sobald die Ozonkonzentration hoch ist, werden Menschen vergiftet But once the ozone concentration is high, people will be poisoned

再 比如说 呢 Another example

有 两种 磷 一种 叫 红磷 一种 叫 白磷 There are two kinds of phosphorus, one is called red phosphorus and the other is called white phosphorus

其实 红磷 和 白磷 都 是 磷 元素 构成 的 都 是 单质 In fact, both red phosphorus and white phosphorus are composed of phosphorus elements and are both simple substances

但是 呢 红磷 和 白磷 的 化学性质 是 不 一样 的 But the chemical properties of red phosphorus and white phosphorus are different

比如说 白磷 有 剧毒 For example, white phosphorus is highly toxic

但是 红磷 却 没有 毒 But red phosphorus is not poisonous

这个 也 是 同素异形 体 This is also an allotrope

那 我们 现在 来 研究 一下 Let's study it now

自然界 的 第 6 号 元素 碳 它 有 哪些 同素异形 体 Was sind die Allotrope des 6. Elements Kohlenstoff in der Natur? What are the allotropes of carbon, the sixth element in nature?

比如说 比较 典型 的 金刚石 Zum Beispiel der typischere Diamant For example, a typical diamond

也 就是 我们 平常 所说 的 钻石 Which is what we usually call diamonds

这个 钻石 它 其实 就是 由 碳 构成 的 This diamond is actually made of carbon

科学家 们 最 开始 研究 钻石 的 时候 拿 放大镜 去 看 When scientists first studied diamonds, they used a magnifying glass to see

结果 钻石 突然 之间 消失 了 Der Diamant verschwand plötzlich As a result, the diamond suddenly disappeared

科学家 们 怀疑 实际上 是 碳 变成 二氧化碳 Scientists suspect that carbon actually turns into carbon dioxide

烧 没 了 是 吧 Es ist verbrannt, oder? Burned out, right?

这个 金刚石 它 的 结构 是 什么 样子 的 呢 What is the structure of this diamond?

我 做 了 这样 一个 模型 大家 看 一下 I made such a model, let's take a look

就是 每 1 个 碳原子 周围 有 4 个 碳原子 It means that there are 4 carbon atoms around every 1 carbon atom

而且 中间 这个 碳原子 和 周围 这 4 个 碳原子 And the middle carbon atom and the surrounding 4 carbon atoms

构成 了 一个 正四面体 的 结构 Form a regular tetrahedron structure

它们 之间 靠 这个 很强 的 共价键 结合 They are bonded by this strong covalent bond

所以 金刚石 它 硬度 非常 大 So diamond is very hard

结构 非常 坚固 Very sturdy structure

这是 第一种 碳 的 同位素 叫 金刚石 This is the first isotope of carbon called diamond

那 还有 什么 呢 第二个 叫做 富勒烯 So what else is the second one is called fullerene

这个 富勒烯 发现 的 时间 不 长 The discovery of this fullerene is not long

有 的 时候 又 管 它 叫 足球 碳 或者 叫 C60 Manchmal nennen sie es Fußball-Carbon oder C60 Sometimes it is called football carbon or C60

为什么 叫 C60 呢 Warum heißt es C60? Why is it called C60

这 是因为 这个 它 的 形状 是 一个 球形 This is because its shape is a sphere

咱们 看 一下 Let's take a look

它 就 像 一个 足球 的 表面 一样 It's like the surface of a football

一共 有 60 个 碳原子 There are a total of 60 carbon atoms

那么 有 的 碳原子 会 形成 五边形 Then some carbon atoms will form a pentagon

而 有 的 碳原子 会 形成 六边形 And some carbon atoms will form a hexagon

那么 因为 这个 结构 非常 像 So because this structure is very similar

建筑学家 富勒 他造 的 建筑 Die Gebäude des Architekten Fuller Buildings made by the architect Fuller

所以 科学家 们 就 把 它 命名 为 富勒烯 So scientists named it fullerene

这个 富勒烯 是 在 1985 年 的 时候 This fullerene was in 1985

被 英国 和 美国 的 科学家 发现 的 Discovered by British and American scientists

到 了 1996 年 的 时候 就 获得 了 诺贝尔奖 I won the Nobel Prize in 1996

这 也 是 一个 很 重要 的 材料 This is also a very important material

那么 除了 富勒烯 以外 So in addition to fullerenes

还有 什么样 的 它 的 同素异形 体 呢 What kind of allotrope is there?

还有 一种 比如说 叫 碳纳米管 There is also a carbon nanotube, for example

碳纳米管 是 什么 意思 呢 What does carbon nanotube mean?

就是 科学家 们 通过 设计 研究 出来 这样 一种 结构 It’s that scientists have come up with such a structure through design

大家 看 这种 结构 每 一个 黑点 都 表示 一个 碳原子 Everyone sees this structure, each black dot represents a carbon atom

两个 这个 白线 表示 碳原子 之间 的 这个 化学键 The two white lines represent the chemical bond between carbon atoms

那么 它 形成 了 一个 管 的 结构 dann bildet es eine Rohrstruktur Then it forms a tube structure

在 某 一个 尺度 上 非常 小 sehr klein in einem bestimmten Maßstab Very small on a certain scale

我们 看 在 这个 方向 它 其实 非常 小 的 纳米 量级 Wenn wir in diese Richtung schauen, ist es tatsächlich sehr klein in der Größenordnung von Nanometern We look at it in this direction, it’s actually very small at the nanometer level.

但是 这个 方向 却 非常 非常 长 可以 达到 微米 量级 Aber diese Richtung ist sehr, sehr lang und kann die Größenordnung von Mikrometern erreichen But this direction is very, very long and can reach the order of microns

所以 这种 结构 我们 称之为 碳纳米管 So this structure is called carbon nanotube

这种 东西 有 很 好 的 导热性 能 This kind of thing has good thermal conductivity

这个 是 91 年 的 时候 由 日本 科学家 发现 This was discovered by Japanese scientists in 1991

除了 这个 以外 Apart from this

还有 一个 就是 我们 今天 所说 的 石墨 烯

我们 先 来说 石墨 Beginnen wir mit Graphit Let's talk about graphite first

石墨 是 什么 What is graphite

石墨 其实 是 一种 矿物质 Graphit ist eigentlich ein Mineral

比如说 我们 在 这个 写字 的 时候 用 的 那个 铅笔 For example, the pencil we use when writing

铅笔 那个 芯 对 吧 那 就是 石墨 The lead of the pencil is graphite, right?

它 比较 柔软 比较 这个 光滑 It's softer than this one

可以 用来 做 润滑剂 这是 石墨 It can be used as a lubricant. This is graphite

然后 还 可以 导电 可以 用来 做 电极 Dann kann es auch Strom leiten und als Elektrode verwendet werden Then it can conduct electricity and can be used as electrodes

那 石墨 的 结构 什么样 呢 What is the structure of graphite?

大概 是 这个 样子 咱们 来看 一下 It's probably like this, let's take a look

石墨 的 结构 呢 是 分层 的 The structure of graphite is layered

每 一层 会 有 一个 正 六边形 这样 的 一个 结构 Jede Schicht hat eine Struktur wie beispielsweise ein regelmäßiges Sechseck Each layer will have a structure like a regular hexagon

每 一个 黑色 的 都 是 一个 碳原子 Every black one is a carbon atom

而 我们 看到 的 石墨 其实 是 很多很多 层 And the graphite we see is actually many, many layers

一层 一层 堆积起来 的 Piled up layer by layer

那么 在 同 一层 内 dann in der gleichen Schicht Then in the same layer

两个 原子 之间 是 靠 化学键 作用 连接 在 一起 Die beiden Atome sind durch chemische Bindungen miteinander verbunden The two atoms are connected by chemical bonds

所以 比较 竖固 Also aufrechter So it's more vertical

但是 层 之间 其实 是 没有 化学键 的 But there is actually no chemical bond between the layers

它 是 靠 分子 的 范德华 力 作用 联合 在 一起 的 It is united by the van der Waals force of molecules

所以 它们 两层 之间 的 其实 是 可以 相互 滑动 的 So the ones between the two layers can actually slide on each other

我 这里 把 它 连 起来 了 但 实际上 它 不 应该 连 起来 I connected it here but in fact it shouldn't be connected

而 应该 是 可以 相对 滑动 的 It should be relatively sliding

应该 把 它 拆开 拆开 了 之后 它 就 可以 相对 滑动 It should be disassembled and then it can slide relatively

石墨 就 具有 润滑性 了 Graphite has lubricity

好 了 那 这 就是 石墨 Okay, this is graphite

那 我们 所说 的 石墨烯 到底 是 什么 呢 So what exactly are we talking about graphene?

其实 很 简单 it's actually really easy

如果 我们 把 石墨 中 一层 拿 出来 就 构成 了 石墨烯 Wenn wir eine Graphitschicht herausnehmen, entsteht Graphen If we take out one layer of graphite to form graphene

也就是说 石墨烯 其实 就是 单层 石墨 In other words, graphene is actually a single layer of graphite

就是 我 单独 拿 出来 一层 这个 就 叫 石墨烯 I just took out a separate layer, this is called graphene

只要 你 能够 把 石墨 切出 一片 来 As long as you can cut out a piece of graphite

这 一片 只有 一层 原子 There is only one layer of atoms in this piece

好 了 你 就 拿出 了 石墨烯 了 Okay, you took out the graphene

这 就是 石墨烯 的 含义 是 吧 This is the meaning of graphene, right?

为什么 叫 烯 呢 Why is it called ene

是因为 它 有 碳 碳 双键 一会儿 我们 介绍 这个 问题 Because it has a carbon-carbon double bond. We will introduce this problem for a while

那 现在 我们 知道 石墨烯 其实 就是 把 石墨 拿出 一层 来 Now we know that graphene is actually a layer of graphite

它 为什么 就 这么 神奇 呢 Why is it so magical

我们 来 介绍 一下 石墨烯 的 特点 Let's introduce the characteristics of graphene

石墨烯 这种 材料 其实 发现 的 时间 并 不长 Graphene has not been discovered for a long time.

在 之前 人们 一直 预言 这种 东西 它 是 不 存在 的 People have always predicted that this kind of thing does not exist before

那么 它 是 怎么 发现 的 呢 So how did it find out

发现 历程 Entdeckung Discovery process

首先 在 2004 年 的 时候 First of all in 2004

这个 英国曼彻斯特大学 有 两位 科学家 There are two scientists at the University of Manchester in the UK

一个 人 名字 叫 安德烈 · 海姆 Ein Mann namens Andre Heim A man named Andre Heim

还有 一个 人 呢 名字 叫诺沃 肖 洛夫 Es gibt noch einen anderen Mann namens Novoselov There is another person whose name is Novoselov

这 两个 科学家 他们 研究 如何 获得 单层 的 石墨 These two scientists are studying how to obtain a single layer of graphite

结果 他们 就 使用 的 一种 方法 什么 方法 呢 What method did they use?

就是 “ 撕 胶带 ” Is "tear the tape"

什么 叫 撕 胶带 大家 明白 吗 Do you understand what is tearing tape?

这个 我们 平时 写 作业 的 时候 写错 了 This is a mistake when we usually write homework

然后 我们 会 用 一个 胶带 粘到 这个 作业本 上 Then we will use a tape to stick to this homework book

然后 把 这个 胶带 撕下来 Then tear off this tape

这样一来 会 怎么样 What will happen this way

就 会 把 那个 我们 写 的 笔记 就 粘 下来 了 Will stick the note we wrote down

我们 就 可以 再 接着 往上 写 了 对 不 对 We can continue to write up, right

那么 他们 这种 做法 其实 差不太多 Well, their approach is not much different

他们 做法 就是 在 一个 胶带 上面 What they do is to put it on a piece of tape

有个 胶带 然后 粘 一块 石墨 Have a piece of tape and stick a piece of graphite

结果 一 粘 不 就 有 一些 石墨 痕迹 就 留在 这个 胶带 上 了 吗 As a result, as soon as it is stuck, there will be some traces of graphite left on the tape?

然后 干什么 呢 把 这个 胶带 折 一下 Then what are you doing? Fold this tape

用 这 一面 再 去 粘 一次 Use this side to stick again

那 再 粘 一次 Then stick again

这 石墨 是不是 有 一些 就 跑 到 这个 上面 去 了 Ging etwas von diesem Graphit dazu? Is there some graphite on it?

然后 你 再 去 粘 一次 折叠 粘贴 折叠 粘贴 … Dann gehst du und klebst es wieder falten-kleben falten-kleben... Then you go to paste again, fold and paste, fold and paste...

把 胶带 不停 的 撕 Reißen Sie das Klebeband weiter Keep tearing the tape

撕 了 好多好多 层 终于 怎么着 After tearing so many, many layers, what finally happened

终于 就 发现 了 单层 的 石墨 Finally found a single layer of graphite

发现 了 单层 的 石墨 Found a single layer of graphite

他 发现 了 单层 的 石墨 之后 呢 就是 石墨烯 After he discovered a single layer of graphite, it was graphene

这个 世界 就 震惊 了 The world was shocked

因为 人们 认为 这个 东西 以前 应该 是 不 存在 Because people think this thing shouldn't exist before

它 是 个 二维 结构 It is a two-dimensional structure

而 我们 生活 在 的 是 三维空间 对 吧 And we live in a three-dimensional space, right

不 应该 存在 结果 人家 做 出来 了 对 不 对 There shouldn’t be a result, someone made it, right?

那 你 不得不 承认 人家 是 正确 的 Then you have to admit that they are correct

后来 发现 了 之后 呢 在 2010 年 的 时候 After I discovered it later, in 2010

2010 年 的 时候 他们 两个 人 就 一起 获得 了 诺贝尔奖 In 2010, the two of them won the Nobel Prize together

就是 一个 撕 胶带 的 诺贝尔奖 Es ist ein Nobelpreis, das Band abzureißen. It's a Nobel Prize for tearing tape

我们 撕 胶带 只是 为了 拆 快递 We tear the tape just to remove the courier

人家 科学家 撕 胶带 是 为了 得 诺贝尔奖 Scientists tear the tape to win the Nobel Prize

那么 这种 结构 它 有 什么样 的 特点 So what are the characteristics of this structure

为什么 造 出 一个 材料 就 可以 得 诺贝尔奖 呢 Why can you win the Nobel Prize if you make a material

这 是因为 首先 它 是 一个二维 材料 This is because first of all it is a two-dimensional material

二维 材料 意思 是 说 Two-dimensional material means

它 实际上 是 一个 平面 的 结构 It is actually a flat structure

那么 这个 平面 的 厚度 非常 非常 的 薄 Then the thickness of this plane is very very thin

有 多 薄 呢 大概 是 0.355 纳米 How thin is it about 0.355 nanometers

纳米 是 10^-9 米 Nano is 10^-9 meters

所以 它 实际上 就是 一个 单 原子 层 So it is actually a single atomic layer

这 一层 实际上 是 一大堆 六边形 对 吧 Diese Ebene ist eigentlich ein Haufen Sechsecke, richtig? This layer is actually a lot of hexagons, right

我们 平常 所用 的 这个 石墨 The graphite we usually use

其实 都 是 这些 石墨烯 叠 了 很多很多 层 有 多少 层 呢 In fact, these graphenes are stacked with many, many layers. How many layers are there?

比如 我们 如果 有 1 毫米 厚 的 石墨 For example, if we have 1 mm thick graphite

1 毫米 厚 它 其实 对应 了 150 万层 的 石墨烯 1 mm thick actually corresponds to 1.5 million layers of graphene

所以 我们 想 分离 出 单层 的 其实 是 很 困难 的 是 吧 So we want to separate the single layer is actually very difficult, right?

传统 科学 理论 认为 二维 材料 不 应该 存在 Traditional scientific theories believe that two-dimensional materials should not exist

是因为 热 的 涨落 会 造成 破坏 这个 结构 weil thermische Schwankungen zu Schäden an der Struktur führen können It’s because the fluctuation of heat will destroy this structure

但 事实上 因为 石墨烯 它 两个 原子 之间 的 作用力 非常 强 But in fact, because graphene has a very strong force between its two atoms

所以 它 不但 可以 存在 而且 还 非常 稳定 具有 很多 的 优点 So not only can it exist, but it is also very stable and has many advantages

那 我们 来看 一看 这个 优点 是 什么 Let's take a look at what this advantage is

石墨烯 的 优点 有 哪些 What are the advantages of graphene

第一个 优点 就是 它 的 机械 强度 大 Der erste Vorteil ist seine hohe mechanische Festigkeit The first advantage is its high mechanical strength

机械 强度 大 不 容易 破坏 掉 The mechanical strength is not easy to break

有 多 大 呢 比 这个 钢铁 还要 强 200 倍 是 吧 How big is it 200 times stronger than this steel, right?

所以 如果 以后 我们 用 石墨烯 这种 材料 So if we use graphene as a material in the future

做 小汽车 做 飞机 的话 If you are a car and an airplane

那 小汽车 和 飞机 的 重量 就 可以 轻 很多 了 对 不 对 The weight of cars and airplanes can be much lighter, right?

这个 是 机械 强度 大 This is mechanically strong

第二个 就是 拉伸 性能 好 Das zweite sind gute Zugeigenschaften The second is good tensile performance

我们 知道 平常 我们 用 的 材料 拉伸 性能 好 的 就是 金属 We know that the material that we usually use has good tensile properties is metal

拉伸 性好 的 就是 金属 对 吧 Good stretchability is metal, right?

但是 它 的 拉伸 性比 金属 还要 好

它 可以 拉伸 到 自身 长度 的 20% It can stretch to 20% of its length

就是 它 沿着 这个 长 的 方向 可以 拉伸 Is that it can be stretched along this long direction

那 为什么 呢 就是 因为 吧 Then why is it because of it

石墨烯 不是 单层 结构 我 这么 一 拉伸 的话 Graphen ist keine einschichtige Struktur, wenn ich es so dehne Graphene is not a single layer structure, if I stretch it like this

它 六边形 会 形变 对 吧 Sein Sechseck wird sich verformen, richtig? It’s hexagonal, right?

不过 没有 关系 它 不会 破 Aber egal, es geht nicht kaputt But it doesn’t matter, it won’t break

这 就是 它 的 拉伸 性 拉伸 性 特别 好 This is its stretchability is particularly good

可以 拉伸 20% Can be stretched 20%

第三个 就是 它 的 导电性 能 好 The third is its good electrical conductivity

它 的 导电性 比 我们 目前 所知 的 最好 的 金属银 还要 好 Es leitet den Strom besser als Silber, das beste Metall, das wir bisher kennen Its conductivity is better than the best metallic silver we know so far

但是 好 的 程度 不是 很大 Aber nicht so gut But not very good

但是 它 作为 一种 非金属材料 Sondern als nichtmetallischer Werkstoff But as a non-metallic material

能够 有 这么 好 的 导电性 那 已经 是 非常 不 容易 了 It’s not easy to have such good conductivity

那 第四个 就是 导热性 能 好 The fourth one is good thermal conductivity

它 可以 非常 快 的 导热 It can conduct heat very quickly

它 的 导热性 有 多 好 呢

自然界 里面 金属 里 最好 的 导热性 能 还是 银 The best thermal conductivity of metals in nature is still silver

银 的 导热性 是 最好 的 Silver has the best thermal conductivity

但是 金刚石 的 导热性 比银 还要 好 2 到 5 倍 But the thermal conductivity of diamond is 2 to 5 times better than silver

金刚石 为什么 导热性 好 咱们 一会儿 再说 Why does diamond have good thermal conductivity, let's talk about it later

石墨烯 的 导热性 比银 还要 强 10 倍 The thermal conductivity of graphene is 10 times stronger than that of silver

所以 说 它 应该 是 我们 已知 的 So it should be known to us

导热性 能 最好 的 一个 材料 了 The material with the best thermal conductivity

以后 我们 要 再 用 导热 的话 If we want to use heat conduction in the future

我们 不 需要 用 金属 用 石墨烯 Wir brauchen kein Metall, um Graphen zu verwenden We don’t need to use metal for graphene

用 石墨烯 的话 它 导热 导得 非常 快 With graphene, it conducts heat very quickly

那 导热 导得 非常 快 我 散热 就 散 得 就 非常 快 对 不 对 The heat conduction is very fast, and the heat dissipates very quickly, right?

所以 比如说 以后 我们 手机 或者 是 计算机 要 散热 So for example, in the future, our mobile phones or computers need to dissipate heat

你 用 这种 材料 做 就 很 好 You can make it with this material

所以 总而言之 那 它 会 有 很多 的 优点 So in short, it will have many advantages

再 比如 它 还 可以 透光 For example, it can also transmit light

它 还 可以 弯曲 等等 吧 It can be bent, etc.

一系列 的 优点 A series of advantages

那么 利用 这些 优点 Then take advantage of these advantages

我们 就 可以 用 它 来 做 一些 特殊 的 器材 是 吧 We can use it to make some special equipment, right

我们 来 看看 哪些 器材 Let's take a look at which equipment

第一个 First

你 机械 强度 大 而且 可以 拉伸 你 可以 做 什么 You are mechanically strong and can stretch what you can do

那 很 显然 你 可以 做 防弹衣 对 不 对 Obviously you can make body armor, right

你 可以 做 防弹衣 You can make body armor

那 这个 防弹衣 它 的 这个 重量 The weight of this bulletproof vest

就要 比 那个 现在 传统 的 防弹衣 要轻 很多 了 对 吧 It’s much lighter than the traditional body armor, right?

你 用来 做防 刺服 它 机械 强度 非常 好 You use it as a stab-resistant suit, it has very good mechanical strength

所以 说 呢 你 用 刀 刺 什么 都 刺 不破 So you can't pierce anything with a knife

那有 一些 这个 我 看 国外 的 一些 科普 视频 里面 Es gibt einige davon in einigen populärwissenschaftlichen Videos, die ich mir im Ausland angesehen habe. Then there are some of this in some popular science videos I watched abroad

画 了 这样 一幅 漫画 eine Karikatur zeichnen Drew such a cartoon

说 有 一个 单层 石墨烯 Say there is a single layer of graphene

然后 用 一根 铅笔 立 上去 Stehen Sie dann mit einem Bleistift auf Then stand it up with a pencil

上面 站头 大象 那 石墨烯 都 不会 破 Wenn man auf dem Elefanten steht, wird das Graphen nicht brechen The graphene will not break if the elephant is standing above

当然 这 可能 有点 夸张 Of course this may be a bit exaggerated

但是 不得不 承认 石墨烯 的 拉伸 性能 是 非常 非常 好 的 But I have to admit that the tensile properties of graphene are very, very good.

而且 还 非常 坚韧 And also very tough

第二个 the second

它 还 可以 用来 做 什么 可以 折叠 的 电子设备 Was kann es auch für faltbare elektronische Geräte verwendet werden What can it also be used for foldable electronic devices

现在 电子设备 基本上 不能 折叠 Elektronische Geräte sind heutzutage grundsätzlich nicht mehr faltbar Basically, electronic devices cannot be folded now

比如 手机 你 不能 把 它 给 弯 了 对 吧 For example, you can’t bend a mobile phone, right?

你 弯 了 的话 它 就 坏掉 了 It will break if you bend it

电脑 也 是 这样 但是 石墨烯 是 可以 弯 的 The same is true for computers, but graphene can be bent

对 吧 它 平面 结构 你 随便 弯 Right, it's a flat structure, you bend it at will

所以 人们 就 想 So people think

我们 能 不能 用 石墨烯 来 做 这个 手机 屏 Can we use graphene to make this mobile phone screen

然后 这 手机 就是 完全 透明 的 Dann ist das Telefon vollständig transparent Then this phone is completely transparent

而且 它 还 可以 弯折 And it can be bent

我 戴 在 我 这个 手环 上 就行了 对 不 对 I just wear it on my bracelet, right?

再 比如说 以后 我们 在 看 报纸

我 这 报纸 能 不能 用 石墨烯 来 做 是 吧 Can my newspaper be made of graphene?

以后 我们 这 报纸 给 你 发 过去 就是 一层 石墨烯 In Zukunft wird Ihnen unsere Zeitung eine Schicht Graphen zusenden. From now on, our newspaper will send you a layer of graphene

你 看 上面 就 有 字 就 可以 显示 一些 内容 Sie können die Wörter darauf sehen, Sie können einige Inhalte anzeigen You can show some content if you see that there are words on it

然后 你 还 可以 随便 弯起来 揣 在 兜里 都 可以 是 吧 Then you can bend it up and put it in your pocket.

折叠 的 这个 电子设备 Dieses elektronische Gerät klappte zusammen This folded electronic device

第三个 它 还 可以 用来 做 什么 呢 Third, what else can it be used for?

可以 用来 做 这个 电池 的 添加剂 Can be used as additives for this battery

现在 我们 所用 的 这个 可 充电电池 一般 是 锂电池 The rechargeable battery we use now is generally a lithium battery

是 用 这个 磷酸锂铁 来 做 的 电池 的 这样 的 一个 材料 Is such a material for batteries made of this lithium iron phosphate

那么 磷酸锂铁 它 有 它 的 好处 Then lithium iron phosphate has its benefits

但是 它 有 它 的 缺点 But it has its disadvantages

它 的 缺点 就是 磷酸 锂 铁 这 东西 它 电阻率 比较 大 Its disadvantage is that lithium iron phosphate has a relatively large resistivity

所以 一旦 你 充电 的 时候 电流 大 So once you charge, the current is large

它 就 会 有 很大 的 发热量 It will have a lot of heat

因此 你 充电 时 电流 不能 太 大 Therefore, the current cannot be too large when you charge

有 的 时候 我们 充 手机电池 要充 很 久 Sometimes it takes a long time to charge the mobile phone battery

充 好几个 小时

但是 如果 我们 把 石墨烯 加进去 But if we add graphene

因为 石墨烯 这种 材料 电阻 非常 非常 小 Because the resistance of graphene is very, very small

所以 我们 就 有 很 好 的 导电性 So we have very good conductivity

那 你 这个 电池 导电性 能 一旦 好 了 Once the conductivity of your battery is good

你 就 可以 用 更 大 的 电流 去 充电 了 You can use more current to charge

这样一来 可能 几分钟 就 充满 了 对 不 对 It might fill up in a few minutes, right?

华为 其实 就是 在 去年 的 时候 宣布 Huawei actually announced last year

说 我们 现在 已经 开始 研发 石墨烯 电池 了 Say that we have now started to develop graphene batteries

但是 这个 石墨烯 电池 But this graphene battery

真正 的 投入 商用 可能 还 需要 一段时间 It may take some time before it is put into commercial use

总而言之 它 是 一个 未来 的 发展 方向 All in all, it is a future development direction

再 比如说 我们 可以 用来 做 计算机芯片 For example, we can use it to make computer chips

现在 计算机 CPU 它 面临 的 一个 问题

就是 散热 的 问题 Es ist ein Wärmeableitungsproblem Is the problem of heat dissipation

因为 我们 把 这个 计算机 的 这个 功率 搞 得 太大 Because we made the power of this computer too much

电路 太 密集 最后 这个 热量 散不掉 The circuit is too dense and finally this heat can't be dissipated

那 你 这个 芯片 就 会 烧毁 对 不 对 Then your chip will be burned, right

你 用 传统 的 半导体 材料 You use traditional semiconductor materials

硅 这个 事儿 就是 没有 办法 再 解决 了 There is no way to solve the problem of silicon

因为 它 电阻率 就是 比较 大 Because its resistivity is relatively large

现在 我们 如果 使用 石墨烯 做 MOS 管 Wenn wir nun Graphen als MOS-Röhre verwenden Now if we use graphene as a MOS tube

用 石墨烯 来 做 芯片 的话 导热性 能 非常 好 If graphene is used as a chip, the thermal conductivity is very good

散热 性 就 很 好 而且 电阻 又 比较 小 对 吧 The heat dissipation is very good and the resistance is relatively small, right?

所以 你 就 可以 提高 计算速度 So you can increase the calculation speed

可能 会上 百倍 的 提高 我们 计算机 运行 速度 Es kann die Geschwindigkeit unseres Computers um das Hundertfache erhöhen May increase the speed of our computer hundreds of times

当然 这 可能 还是 我们 一个 比较 远 的 设想 Of course, this may still be a far-reaching assumption of ours

目前为止 我们 在 制作 石墨烯 这 一块 So far we are making graphene

其实 还是 有 很大 的 困难 Actually, there are still great difficulties

所以 做 芯片 可能 还 需要 几十年 的 时间 So it may take decades to make chips

石墨烯 还有 什么 作用 呢 What else does graphene do

它 还 可以 净水 It can also clean water

因为 石墨烯 它 是 一个 平面 结构 Because graphene is a flat structure

所以 它 具有 很大 的 面积 体积 比 Es hat also ein großes Flächen-zu-Volumen-Verhältnis So it has a large area-to-volume ratio

就是说 它 的 表面积 非常 非常 大 对 吧 In other words, its surface area is very, very large, right?

它 体积 又 很小 It's very small

所以 这样一来 它 就 有 很大 的 吸附 能力

那么 有 一些 杂质 就 可以 吸附 到 这个 石墨烯 表面 Then some impurities can be adsorbed on the graphene surface

同时 我们 还 可以 改变 这个 石墨烯 的 一些 结构 At the same time, we can also change some of the structure of this graphene

使得 只有 水分子 能够 经过 石墨烯 sodass nur Wassermoleküle das Graphen passieren können So that only water molecules can pass through graphene

其它 的 什么 那个 氯化钠 这些 物质 都 不能 经过 Other substances, such as sodium chloride, can't pass

这样一来 我 就 可以 用 它 来 净化 海水 对 吧 Then I can use it to purify the sea, right?

我 把 海水 装 到 石墨烯 的 一侧 I put sea water on the side of the graphene

加 一个 压强 让 海水 的 这个 水分子 透过 Add a pressure to let the water molecules of the sea water through

其它 分子 都 过不去 我们 就 把 海水 淡化 了 对 吧 We desalinated the seawater if other molecules couldn’t make it, right?

因为 我们 要 知道 世界 上 有 很多 人 Because we have to know that there are many people in the world

其实 是 面临 缺水 这个 问题 的

那 还有 一个 问题 就是

我们 可以 用 它 来 做 一些 生物 医疗 方面 的 一些 工作 Wir können damit einige biomedizinische Arbeiten durchführen We can use it to do some biomedical work

生物 医疗 Biomedical

哪些 生物 医疗 Which biomedical

比如说 石墨烯 具有 很 好 的 生物 导电性 Beispielsweise hat Graphen eine gute biologische Leitfähigkeit For example, graphene has good biological conductivity

我们 身体 的 那个 各种 信号 是 通过 电 来 进行 传导 的 The various signals of our body are conducted through electricity

那么 假如 一个 人 他 具有 一些 残疾 So if a person has some disability

比如说 他 眼睛 瞎 了 是 吧 For example, he is blind, right?

那 我们 现在 要安 一个 假 的 眼睛 Then we have to put a fake eye

我们 怎么 把 这个 假 的 眼睛 感受 到 的 电信号 Wie nehmen wir die elektrischen Signale auf, die dieses falsche Auge wahrnimmt? How do we take the electrical signals felt by this fake eye

传给 这个 人 呢 Pass it to this person

科学家 们 认为 用 石墨烯 做 导电 材料 是 非常 合适 的 Scientists think it is very suitable to use graphene as a conductive material

那 再 比如说 Let's say

这个 石墨烯 这 碳原子 之间 是 有 洞 的 对 吧 There are holes between the carbon atoms in this graphene, right?

所以 如果 生物 的 DNA 分子 通过 了 这个 石墨烯 的 时候 So if biological DNA molecules pass through this graphene,

那么 DNA 上面 有 4 种 碱基 Then there are 4 kinds of bases on DNA

不同 的 碱基 经过 的 时候 When different bases pass

对 这个 石墨烯 的 影响 是 不 一样 的 Die Auswirkungen auf dieses Graphen sind nicht die gleichen The impact on this graphene is different

所以 这样一来 我 通过 电流 的 变化 Auf diese Weise übergebe ich also die aktuelle Änderung So in this way, I pass the current change

可以 探知 到 你 这个 DNA Can detect your DNA

所以 可以 做 DNA 检测 So you can do DNA testing

科学家 们 还 发现 这个 石墨烯 对于 某些 细菌 来讲 Scientists also found that this graphene is for some bacteria

细菌 是 难以 生存 的 所以 可用 来 抗菌 Bakterien sind schwer zu überleben, daher können sie antibakteriell eingesetzt werden Bacteria are difficult to survive, so they can be used for antibacterial

总而言之 在 生物医学 上 可能 也 会 有 很多 的 作用 All in all, there may be many effects in biomedicine

那么 这些 问题 呢 都 是 一些 现象 Then these problems are phenomena

我们 想 问 说 石墨烯 为什么 具有 这些 特点 We want to ask why graphene has these characteristics

这个 是 我们 化学 中要 研究 的 最 重要 的 一个 问题 This is the most important question to be studied in our chemistry

就是 为什么 That's why

它 为什么 具有 这样 的 特点 Why does it have such characteristics

这个 是 由于 它 的 结构 决定 的 Das liegt an seiner Struktur This is due to its structure

结构 组成 决定 的 strukturelle Zusammensetzung Structure determined

石墨烯 之所以 有 以上 的 那些 优势 Der Grund, warum Graphen die oben genannten Vorteile hat The reason why graphene has the above advantages

完全 是 由于 它 的 结构 所 决定 的 wird ganz durch seine Struktur bestimmt Is completely determined by its structure

为了 解释 这件 事儿 我们 要 给 大家 介绍 一个 概念 In order to explain this, we have to introduce a concept to everyone

就是 电子 的 轨道 die Bahn des Elektrons Is the orbit of electrons

我们 知道 碳 是 6 号 元素 We know that carbon is element 6

这个 中间 有 原子核 There is an atomic nucleus in the middle

外边 有 6 个 电子 这 6 个 电子 是 分层 排布 的 Es gibt 6 Elektronen außerhalb und diese 6 Elektronen sind in Schichten angeordnet There are 6 electrons outside, these 6 electrons are arranged in layers

其中 最 内层 有 2 个 电子 它 是 稳定 的 There are 2 electrons in the innermost layer and it is stable

那么 外面 还有 4 个 电子

这 4 个 电子 它 是 存在 一定 的 轨道 了 These 4 electrons have certain orbits

说 这 4 个 电子 是 怎么样 去 运动 的 呢 How do these 4 electrons move?

人们 经过 研究 发现 After research, people found

电子 这个 东西 因为 它 有 波粒二象性 Because of its wave-particle duality

所以 它 不 一定 在 什么 位置 So it may not be in any position

我们 如果 持续 的 观测 就 会 发现 If we continue to observe, we will find

电子 存在 各个 地方 的 概率 不 一样 The probability of electrons is different in different places

我们 把 这 概率 画 出来 就 叫 电子云 We draw this probability and call it electronic cloud

那么 科学家 们 经过 研究 发现 Then the scientists discovered through research

就 说 第二层 的 电子 轨道

它 其实 是 有 两种 不同 的 电子 分布 情况 It actually has two different distributions of electrons

第一种 就是 一个 球体 的 分布 The first is the distribution of a sphere

电子 可能 在 这个 球中 的 某 一个 位置 The electron may be in a certain position in this ball

这种 轨道 的 我们 就 称之为 S 轨道 This kind of orbit is called S orbit

那么 第二种 轨道 是 说 它 有 一个 纺锤体 的 结构 Then the second type of orbit means that it has a spindle structure

它 有 可能 会 在 这个 纺锤体 中 的 任何 一个 部位 It may be in any part of the spindle

这种 就 叫 P 轨道 This is called P track

但是 这个 纺锤体 是 有 方向性 的 But this spindle is directional

它 可以 是 左右 的 它 也 可以 是 前后 的 It can be left and right, it can be front and back

它 还 可以 是 上下 的 It can also be up and down

所以 它 是 有 3 个 P 轨道 分别 称为 Px Py 和 Pz So it has 3 P tracks called Px Py and Pz

好 这样一来 So come this way

第二层 的 这个 轨道 一共 就 有 4 个 轨道

S 轨道 Px Py Pz 一共 是 4 个 轨道 S track Px Py Pz is a total of 4 tracks

这 4 个 轨道 里面 In these 4 tracks

每 一个 轨道 可以 容纳 最 多 两个 电子 自旋 相反 的 Each orbit can hold up to two electrons with opposite spins

这是 根据 泡利 不相容 原理 This is based on the Pauli exclusion principle

同一个 轨道 不能 有 自旋 也 相同 的 电子 Dasselbe Orbital kann keine Elektronen mit demselben Spin haben The same orbit cannot have electrons with the same spin

所以 说 一共 最 多 可以 容纳 8 个 电子 So a total of up to 8 electrons can be accommodated

但是 碳 是 6 号 元素 所以 它 外层 只有 四个 电子 But carbon is element 6 so there are only four electrons in the outer layer

那么 问题 来 了 Then the problem is coming

这 4 个 电子 究竟 是 取 哪个 轨道 呢 对 吧 Welches Orbital nehmen diese 4 Elektronen ein? Which orbit do these 4 electrons take?

它 一共 有 8 种 情况 There are 8 situations in total

一共 是 4 个 轨道 8 种 情况 吗 Is there a total of 4 tracks and 8 cases?

它 到底 是 取 哪个 轨道 呢 Which track does it take?

比如说 我们 来说 一下 金刚石 For example, let’s talk about diamonds

说 这个 金刚石 你 看 Look at this diamond

它 每 1 个 碳原子 周围 都 有 4 个 碳原子 Es hat 4 Kohlenstoffatome um jedes 1 Kohlenstoffatom It has 4 carbon atoms around every 1 carbon atom

你 取 哪种 轨道 都 不 可能 形成 这种 完全 对称 的 结构 Kein Orbital, das Sie nehmen, um diese perfekt symmetrische Struktur zu bilden No matter what kind of orbit you take, it is impossible to form such a completely symmetrical structure

这个 时候 我们 怎么 去 解释 它 How do we explain it at this time

于是 科学家 们 提出 一种 设想 So scientists came up with an idea

说 这个 像 金刚石 这种 情况 Say this is like a diamond

它 实际上 是 S 轨道 和 3 个 P 轨道 发生 了 杂化 It is actually a hybridization of S orbitals and 3 P orbitals

这 4 个 轨道 合 到 一块 又 均分 了 Diese 4 Spuren werden kombiniert und zu gleichen Teilen aufgeteilt These 4 tracks are combined and divided equally

变成 了 4 个 完全相同 的 轨道 Becomes 4 identical tracks

这种 我们 称之为 SP3 杂化 We call this SP3 hybrid

我 再说 一遍 SP3 杂化 的 意思 就是

一个 S 轨道 和 3 个 P 轨道 它们 混合 到 一块 One S track and 3 P tracks are mixed together

然后 一起 构成 了 4 个 完全相同 的 轨道 Then they form 4 identical tracks together

而 这 4 个 完全相同 的 轨道 是 什么 样子 的 And what do these 4 identical tracks look like

其实 就 形成 了 一个 什么 In fact, what is formed

形成 了 一个 正四面体 的 情况 Formed a regular tetrahedron

那么 我 在 旁边 每 一个 地方 我 再 接 一个 碳原子 Then I will take another carbon atom in every place next to me

其实 这个 碳原子 也 是 形成 了 这种 杂化 轨道 的 Tatsächlich bildet dieses Kohlenstoffatom auch dieses Hybridorbital. In fact, this carbon atom also forms this kind of hybrid orbital

这 两个 杂化 轨道 合 到 一块 我们 称之为 什么 呢 What do we call these two hybrid orbitals together?

称之为 头 碰头 Kopf an Kopf Call it head-to-head

你 的 杂化 轨道 跟 我 的 杂化 轨道 碰到 一块 了 Ihr Hybrid-Orbital ist mit meinem kollidiert. Your hybrid orbital hits my hybrid orbit

我们 称之为 头 碰头 We call it head-to-head

头 碰头 如果 我们 说 的 这个 更加 专业 一点儿 If we talk about it more professionally

它 应该 叫 σ 键 es sollte σ-Bindung genannt werden It should be called the σ key

碳碳 之间 的 σ 键 其实 是 非常 强 的 The σ bond between carbon and carbon is actually very strong

所以 说 就 可以 把 金刚石 牢固 的 结合 在 一块 Therefore, the diamond can be firmly combined together

金刚石 的 强度 就 非常 非常 大 The strength of diamond is very very large

因为 金刚石 非常 坚硬 Because diamond is very hard

所以 一旦 一个 原子 振动 起来 So once an atom vibrates

那 这个 振动 很快 就 会 传导 到 另外 一个 原子 上去 Then this vibration will be transmitted to another atom soon

所以 金刚石 的 导热性 能 也 非常 好 So the thermal conductivity of diamond is also very good

那么 除了 SP3 杂化 以外 咱们 再 看 石墨 So apart from SP3 hybridization, let’s look at graphite

石墨 它 1 个 碳原子 周围 并 不是 4 个 碳原子 Graphite is not surrounded by 4 carbon atoms around 1 carbon atom

而 周围 有 3 个 碳原子 对 吧 And there are 3 carbon atoms around, right

这种 情况 怎么 解释 呢 How to explain this situation

科学家 们 说 这个 叫 SP2 杂化 Scientists say this is called SP2 hybrid

SP2 杂化 的 意思 是 说 SP2 hybrid means

1 个 S 轨道 和 2 个 P 轨道 合 到 一块儿 1 S-Gleis und 2 P-Gleise kombiniert

然后 分成 三份 dann dreigeteilt Then divide into three parts

于是 1 个 碳原子 周围 就 有 什么 So there is something around 1 carbon atom

就 有 3 个 碳原子 形成 了 这种 结构 There are 3 carbon atoms forming this structure

但 它 的 结构 那 是 一个 平面 结构 Aber seine Struktur ist eine flache Struktur But its structure is a flat structure

每 一个 碳原子 形成 了 120 度角 的 这么 三个 情况 Diese drei Fälle, in denen jedes Kohlenstoffatom einen Winkel von 120 Grad bildet There are three situations where each carbon atom forms an angle of 120 degrees

那 旁边 另外 一个 碳原子 There is another carbon atom next to it

也 形成 了 120 度角 的 这种 情况

于是 这 两个 碳原子 不 就 连 到 一块 了 嘛 对 不 对 Die beiden Kohlenstoffatome sind also zu einem Stück verbunden, richtig? So these two carbon atoms are connected together, right?

这个 也 是 我们 刚才 说 的 头 碰头 叫 σ 键 对 吧

这个 σ 键 是 比较 强 的

所以 石墨 在 这个 方向 上 拉伸 性能

和 这个 坚韧度 都 是 非常 高 的

但是 我们 知道 一共 有 3 个 P 轨道

你 现在 给 我 搞了个 SP2 杂化 You have made a SP2 hybrid for me now

那 就 还 少 了 一个 P 轨道 对 不 对 Then there is one missing P track, right

这个 P 轨道 保留 了 This P track is reserved

也就是说

这 一个 碳原子 形成 了 3 个 SP2 杂化 轨道 之后 呢

它 还 保留 了 一个 单独 的 P 轨道 是 竖 过来 的 Es behält auch eine separate P-Spur, die aufrecht ist It also retains a separate P track is vertical

右边 这个 碳原子 也 保留 了 一个 单独 的 P 轨道 Das Kohlenstoffatom auf der rechten Seite behält ebenfalls ein einzelnes P-Orbital The carbon atom on the right also retains a single P orbital

我画 的 这个 比较 远 I drew this far

实际上 这 两个 P 轨道 会叠到 一块 Actually these two P tracks will overlap one another

叠到 一块 它们 两个 之间 其实 也 会 有 相互作用 Zusammengestapelt werden die beiden tatsächlich miteinander interagieren. When stacked together, they will actually interact with each other.

这种 相互作用 我们 称为 肩并肩 We call this interaction side by side

这个 肩并肩 的 相互作用

如果说 的 这个 更加 专业 一点 If this is more professional

它 应该 叫 π 键 It should be called the π key

那么 这种 π 键 会 有 什么 特点 呢 So what are the characteristics of this π bond?

我们 知道 石墨 的 导电性 能 非常 好 We know that the conductivity of graphite is very good

其实 就是 因为 这个 π 键 Actually because of the π bond

电子 可以 在 π 键 之间 进行 跃迁 Electrons can make transitions between π bonds

这样 就 造成 电子 运动 的 速度 非常 快 This causes the electrons to move very fast

所以 石墨烯 有 很 好 导电性 So graphene has very good conductivity

有人 说 那 石墨烯 有 很 好 的 导电性 Some people say that graphene has good conductivity

那 石墨 导电性 能 为什么 比 石墨烯 还 差 呢 Why is the conductivity of graphite worse than that of graphene?

它 有 很多很多 层 为什么 还 差 It has so many layers, why is it so bad

这 是因为

石墨 它 并 不是 一个 非常 好 的 一层 一层 的 结构 Graphite is not a very good layer-by-layer structure

它 实际上 有 的 时候 是 这样 的 It actually looks like this sometimes

前面 有 一片 是 吧 Is there a piece in front?

它 掉 到 前面 一片 就 竖 过来 了 对 吧 It fell to the front and stood upright, right?

所以 你 电子 到 了 这 之后 它 就 会 很 郁闷 对 不 对 So when your electronics arrive here, it will be very depressed, right?

你 看 我 走 的 好好 的 被 你 给 挡住 了 You see that I'm walking well blocked by you

再有 这个 电子 会 在 两层 之间 跳来跳去 Then this electron will jump between the two layers

如果 你 电子 在 两层 之间 跳来跳去 If your electrons jump around between two layers

而 不是 在 一层 往前走 的话 Instead of going forward on the first floor

相比 来讲 电阻 也 会 大 一些 In comparison, the resistance will be larger

也 正 因为 如此 石墨烯 有 这样 的 一个 分子结构 Because of this, graphene has such a molecular structure

所以 才 会 造成 它 具有 这样 的 一个 特点 That’s why it has such a characteristic

化学 其实 就是 这样 一门 学科 Chemistry is actually such a subject

它 通过 研究 物质 的 性质 与 变化 It studies the properties and changes of matter

去 推测 物质 的 结构 与 组成 To infer the structure and composition of matter

然后 再 通过 人为 设计 一些 结构 与 组成 Then through artificial design some structure and composition

去 获得 一些 新 的 性质 来 改善 我们 的 生活 To acquire some new properties to improve our lives

化学 是 一门 非常 重要 的 学科 Chemistry is a very important subject

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