科普專欄 / Information

神奇的未來材料——石墨烯的軍事用途發展前沿

歐美等發達國家投入了大量資金,重點開展石墨烯在超級計算機、高靈敏傳感器、便攜電子器件和先進防護材料等與國防密切相關領域的戰略性開發,以期占據軍事前沿技術的制高點。

1、石墨烯将提高計算機的存儲和運算能力,減小體積,降低能耗

計算機是武器火控系統的核心,其數據處理和存儲能力決定着彈道計算和快速打擊的精準度。石墨烯器件制成的計算機速度比矽基微處理器高1000倍達太赫茲,在裝備設計制造模拟、戰場模拟、核爆模拟以及情報分析有重要意義,另外石墨烯器件還具有尺寸小、耗能低、發熱量少等特點。為此,美國國防高級研究計劃局早已将開發尺寸更小、計算能力更快的石墨烯基微電子裝置列入研究計劃。

目前,石墨烯晶體管尚不能完全用于計算機,還需要深入研究克服數據開關、石墨烯的工業加工修飾等各項難題。2015年7月,以美國密歇根理工大學為首的研究團隊在陸軍研究實驗室的支持下,通過将石墨烯與氮化硼納米管雜化組合,創建了一種具有高開關比(比已有的石墨烯開關高幾個數量級)的新型數字開關材料,為未來制造更快、更小的計算機提供了前提。2015年7月30日,西班牙AIMEN技術中心的研究人員報道了利用激光加工石墨烯的技術,單脈沖激光僅需幾皮秒就能對石墨烯進行快速精确地切割、添加分子或外接官能團。另外,美國海軍研究實驗室的科學家也利用氫化處理技術使石墨烯獲得磁性,該技術可通過調節氫原子的數量改變磁場強度,在微電子領域有大規模制備磁性石墨烯的潛力。

2、石墨烯将提高傳感器的靈敏度,促進微型化

石墨烯具有優異的光學性能,經加工還可獲得高靈敏度的磁學、熱學和力學特性,是制備新型輕薄傳感器最有潛質的材料。

歐美等發達國家高度重視軍用石墨烯傳感器的研發。位于美國麻省理工學院的士兵納米技術研究所把利用石墨烯技術開發具備高靈敏度、可調光譜選擇性和快速響應特性的新一代紅外夜視系統列為研究目标。2014年,美國密歇根大學研究者将石墨烯夾入鏡片之間,構建了一種能捕捉可見光和紅外線的傳感器。鏡片可做成比手指甲更小,結合于隐形眼鏡中,未來這種智能隐形眼鏡應用于士兵可獲得夜視能力。2015年7月,國防高級研究計劃局和陸軍研究實驗室資助美國東北大學制備了一種硼、氮、氧摻雜的石墨烯基二維材料,賦予了石墨烯熱敏性和超感光性,有助于開發體積更小、攜帶靈活的紅外熱像儀和超靈敏光探測器。2015年8月,瑞士洛桑聯邦理工學院的研究者宣稱正在開發可拾獲一個光子的石墨烯超感光探測器,這種探測器對從近紅外到X射線的寬光譜範圍都有響應,比常規的矽基光電探測器靈敏度高上千萬倍,可用于軍用夜視系統、太空望遠鏡,乃至光量子計算機。

3、石墨烯将提高裝備的防護性能和隐身能力

石墨烯具有優越的力學性能,在抗彈防護方面具有廣泛的應用前景。2014年,美國萊斯大學在國防威脅降低局的支持下進行了石墨烯抗沖擊研究,發現石墨烯受到矽石球高速沖擊時能迅速分散沖擊力,吸收入射能量的能力比鋼強十倍,是凱芙拉纖維的兩倍。将石墨烯與其它輕質高強材料複合,有望獲得高性能輕型裝甲系統。2015年5月,意大利特倫托大學的研究人員發現石墨烯能顯著增強蜘蛛絲的強度,複合絲可達天然蛛絲強度的3.5倍,是單兵防彈衣的高性能材料

鑒于石墨烯的輕質高強特性和熱、電性質,石墨烯還可用于隐身防護領域。2013年,美國加州大學制備了石墨烯基紅外隐身塗層,通過改變反射光的波長來實現紅外隐身。這種材料可大面積塗覆于結構和平台表面,實現軍事僞裝。另外,歐洲防務局于2015年6月舉行專題研讨會,聚焦石墨烯在複合材料防護體系和自适應僞裝塗層方面的應用潛力。

總而言之,石墨烯已成為軍事尖端技術所依托的明星材料,其成果一旦商業化,将給軍事裝備和民用産品帶來巨大變革,如石墨烯基超級計算機、微型紅外夜視鏡、超靈敏探測器和超薄可折疊顯示屏等。

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