石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料,它幾乎完全透明,質(zhì)輕且具有良好的柔韌性和超強的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性,在微電子、光電子和新材料等高技術(shù)軍事領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛能。
歐美等發(fā)達(dá)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(jìn)防護(hù)材料等與國防密切相關(guān)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性開發(fā),以期占據(jù)軍事前沿技術(shù)的制高點。
1、石墨烯將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(tǒng)的核心,其數(shù)據(jù)處理和存儲能力決定著彈道計算和快速打擊的精準(zhǔn)度。石墨烯器件制成的計算機速度比硅基微處理器高1000倍達(dá)太赫茲,在裝備設(shè)計制造模擬、戰(zhàn)場模擬、核爆模擬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(fā)熱量少等特點。為此,美國國防高級研究計劃局早已將開發(fā)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(shù)據(jù)開關(guān)、石墨烯的工業(yè)加工修飾等各項難題。2015年7月,以美國密歇根理工大學(xué)為首的研究團(tuán)隊在陸軍研究實驗室的支持下,通過將石墨烯與氮化硼納米管雜化組合,創(chuàng)建了一種具有高開關(guān)比(比已有的石墨烯開關(guān)高幾個數(shù)量級)的新型數(shù)字開關(guān)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(shù)中心的研究人員報道了利用激光加工石墨烯的技術(shù),單脈沖激光僅需幾皮秒就能對石墨烯進(jìn)行快速精確地切割、添加分子或外接官能團(tuán)。另外,美國海軍研究實驗室的科學(xué)家也利用氫化處理技術(shù)使石墨烯獲得磁性,該技術(shù)可通過調(diào)節(jié)氫原子的數(shù)量改變磁場強度,在微電子領(lǐng)域有大規(guī)模制備磁性石墨烯的潛力。
2、石墨烯將提高傳感器的靈敏度,促進(jìn)微型化
石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能,經(jīng)加工還可獲得高靈敏度的磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性,是制備新型輕薄傳感器最有潛質(zhì)的材料。
歐美等發(fā)達(dá)國家高度重視軍用石墨烯傳感器的研發(fā)。位于美國麻省理工學(xué)院的士兵納米技術(shù)研究所把利用石墨烯技術(shù)開發(fā)具備高靈敏度、可調(diào)光譜選擇性和快速響應(yīng)特性的新一代紅外夜視系統(tǒng)列為研究目標(biāo)。2014年,美國密歇根大學(xué)研究者將石墨烯夾入鏡片之間,構(gòu)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(jié)合于隱形眼鏡中,未來這種智能隱形眼鏡應(yīng)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(xué)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(fā)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(lián)邦理工學(xué)院的研究者宣稱正在開發(fā)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射線的寬光譜范圍都有響應(yīng),比常規(guī)的硅基光電探測器靈敏度高上千萬倍,可用于軍用夜視系統(tǒng)、太空望遠(yuǎn)鏡,乃至光量子計算機。
3、石墨烯將提高裝備的防護(hù)性能和隱身能力
石墨烯具有優(yōu)越的力學(xué)性能,在抗彈防護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。2014年,美國萊斯大學(xué)在國防威脅降低局的支持下進(jìn)行了石墨烯抗沖擊研究,發(fā)現(xiàn)石墨烯受到硅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。將石墨烯與其它輕質(zhì)高強材料復(fù)合,有望獲得高性能輕型裝甲系統(tǒng)。2015年5月,意大利特倫托大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯能顯著增強蜘蛛絲的強度,復(fù)合絲可達(dá)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(zhì)高強特性和熱、電性質(zhì),石墨烯還可用于隱身防護(hù)領(lǐng)域。2013年,美國加州大學(xué)制備了石墨烯基紅外隱身涂層,通過改變反射光的波長來實現(xiàn)紅外隱身。這種材料可大面積涂覆于結(jié)構(gòu)和平臺表面,實現(xiàn)軍事偽裝。另外,歐洲防務(wù)局于2015年6月舉行專題研討會,聚焦石墨烯在復(fù)合材料防護(hù)體系和自適應(yīng)偽裝涂層方面的應(yīng)用潛力。
石墨烯防彈衣更輕巧防護(hù)能力更強
總而言之,石墨烯已成為軍事尖端技術(shù)所依托的明星材料,其成果一旦商業(yè)化,將給軍事裝備和民用產(chǎn)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。