石墨烯是本周Naked Scientists的焦点，包括它如何成为未来超柔性触摸屏显示器、超轻复合材料和下一代计算机芯片的关键。在新闻中，对阿尔茨海默病的理解取得了突破，为什么滑翔机飞行员应该更多地关注猎鹰是如何飞行的，为什么一颗新的系外行星让天文学家对目前的行星形成理论提出了质疑。此外，我们庆祝第一块奶酪进入轨道，并询问是否有证据表明佩戴磁性手镯对健康有益……
在这一集里
新型高密度超级电容器
有两种主要的传统方式来储存电能，你可以使用可充电电池来化学储存能量，这将储存相当多的能量高达350瓦时每公斤，但它会做得很慢，并且有限的充电周期。另一种选择是使用电容器，在一个简单的情况下，它基本上是两片金属片，中间有一层绝缘体。如果你施加电压，一些电荷就会流到薄片上，并被另一薄片上相反的电荷所吸引。因为它们不使用化学反应，电容器的充放电速度比电池快几千倍，而且它们浪费的热量少得多。
问题是，传统电容器储存的能量不到电池的千分之一。为了增加这一点，你需要减少板之间的距离，以稳定电荷，并允许电容器在相同的电压下存储更多的能量。最近，通过使用含有离子液体的表面积很大的活性炭作为电解液，超级电容器的能量密度已经达到了铅酸电池的水平。
现在，刘晨光和他的同事们使用了石墨烯作为电极，石墨烯本质上是一层单原子厚度的石墨。这大概是能得到的最薄的电极了，他们已经改变了石墨，使其弯曲，而不会平躺和堆叠。这意味着离子液体电解质可以进入两层之间，并产生一个非常有效的电容器。它们可以储存80到136 wh /kg的电量，这和10-15年前的标准电池镍氢电池一样好。这听起来可能不太令人印象深刻，直到你意识到它可以在几秒钟或最多几分钟内充电，而不是锂离子电池的几个小时。
这既能让电动汽车充电的速度和你通常加满汽油的速度一样快，又能让它成为快速储存大量能量的理想选择，比如当你在混合动力汽车中急刹车时。
昆虫眼中的世界
一个名为FReD的新数据库可以帮助建立蜜蜂如何看待花朵，帮助研究人员更多地了解蜜蜂，世界上最重要的传粉者之一……
蜜蜂的视觉与人类的视觉非常不同，它们能感知到我们根本看不见的颜色。
大多数昆虫都有光敏细胞或光感受器，对紫外线、蓝光和绿光敏感，许多昆虫有四种或更多类型的感受器，使它们能够感知从长到短的各种波长的光。相比之下，人眼无法客观地评价花朵的外观。
现在，人们第一次开发了一个数据库，收集了大量关于花卉全反射光谱的数据，并在网上免费提供。
来自伦敦玛丽女王大学的Sarah Arnold和他的同事们在开放获取期刊PLoS One上发表了他们的研究成果，他们创建了FReD，即花卉反射数据库，该数据库包含了世界各地花卉的反射光谱，也就是在不同波长上反射的光的数量。
为了真正理解昆虫感知到的环境，你还需要知道这个物种可以探测到哪些波长。这也包括在FReD中，它允许研究人员为昆虫创造一个“色彩空间”，专门从该物种的角度观察花朵。
随着用户提供更多来自不同物种和栖息地的反射率数据，FReD的规模将不断扩大。尽管迄今为止优先考虑的是蜜蜂，但FReD也将改进现有昆虫的目录。
由于FReD包含了不同年龄但来自同一物种的花的数据，它也可以被植物学家用来研究全球花卉颜色、植物生长和发育的趋势;生态学家研究栖息地多样性和相互作用;以及那些研究传粉者在我们的环境中发挥重要作用的人。
阿尔茨海默病的病因?
Randall Bateman，华盛顿大学医学院
阿尔茨海默病是老年人认知能力下降的常见原因。据估计，每五个80岁以上的人中就有一个人受到影响，并出现包括记忆丧失在内的一系列症状。这种疾病的病因是大脑中一种叫做-淀粉样蛋白的蛋白质的积累，这种蛋白质会损害神经细胞，但为什么会发生这种情况呢?克里斯·史密斯采访了圣路易斯华盛顿大学的神经学家兰迪·贝特曼。
兰迪:那么，有一个基本的问题我们在四五年前就开始考虑了，这个问题是，是什么导致了老年痴呆症?这个问题已经被问了很长一段时间了，但这个问题更多的是针对目前的思考是什么导致了阿尔茨海默病与已知的科学知识之间的关系。有一种淀粉样蛋白假说指出了一种叫做淀粉样蛋白的蛋白质的积累，这种蛋白质通常是由我们的大脑产生的，大脑中这种蛋白质的增加会导致损伤，从而导致阿尔茨海默病的症状。现在我们要问的基本问题是在老年痴呆症中，淀粉样蛋白在那里堆积是因为它产生太多，还是在大脑中产生太多，还是因为一旦产生，大脑就无法清除它?关于淀粉样蛋白的一些基本信息是大脑通常会制造它，大脑的神经元或思维细胞通常会在大脑中产生淀粉样蛋白，它通常会被清除，不会积累到很高的量。但我们也知道，在患有阿尔茨海默病的患者中，他们的大脑中充斥着这种物质，其含量是正常水平的100到1000倍。因此，它在非常高的水平上积累，这被认为对大脑有毒并造成损害，最终导致阿尔茨海默氏症类型的痴呆。
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显微照片显示免疫染色的大脑皮层(图像左上方)和脑血管(图像右侧)老年斑中的β淀粉样蛋白(棕色)。©Nephron @ Wikipedia |
Chris -所以你有两个问题。其中之一是，大脑产生了太多的物质，还是大脑没有像健康人的大脑那样处理这些物质?那么你怎样才能把这两者分开呢?
兰迪:这是一个挑战，也是我们开发技术来回答这个问题的地方。从本质上讲，这样做的方法是在蛋白质被制造时给它们贴上标签，这样你就可以追踪它们。一旦一种蛋白质被标记，你就可以追踪它产生的速度，它被清除的速度。该方法的首次发表是在2006年，我们报告了大脑中淀粉样蛋白的产生和清除率在年轻健康人群中的正常情况。我经常用这个标签系统做个类比，想象一下你有一个水，你有一个水龙头，水进入水槽，你有一个排水管，同时排干水槽。如果你只看水槽而不看水龙头或排水管，你只会看到水槽里的水位线，这就是我们通常测量的当我们对大脑周围的液体进行取样时。我们测量了淀粉样蛋白的含量，或者说是水位。一种追踪水流入速度的方法是，你可以想象，如果你把水龙头流出的水染成某种颜色，比如蓝色，那么随着时间的推移，水槽里的水会变得越来越蓝，流入的蓝色水越多。如果你观察一段时间，有多少水被贴上了这种标签——在这种情况下，是一个颜色标签。在淀粉样蛋白的例子中，我们用一个稍微重一点的标签来表示蛋白质，这样我们就可以估计出水进入水槽的速度有多快。 And by the same token, if you stop labelling and then you watch the water as it's cleared away, new fresh clear water comes in and the blue is cleared away, you then have an estimation of how fast the sink is draining that water. And so, this is what we do. We take a label that incorporates into the protein, it's an amino acid which is a building block of proteins which our body normally makes, and it's slightly heavier than normal amino acids. We infuse that into the bloodstream of the person and all the proteins that person is making can be tagged with this label, marking it as newly made. Then we sample over time the fluid that surrounds the brain, it's called cerebrospinal fluid and we watch the appearance of this newly labelled amyloid beta protein, and then we stop labelling and we watch how that labelled amyloid beta is cleared away over time.
Chris -你在健康人身上做了这个实验你大概在一组阿尔茨海默病患者身上做了这个实验来比较两者大脑中-淀粉样蛋白的产生和去除速度?
兰迪-没错。因此，在这项研究中，我们比较了12个患有阿尔茨海默病的人和12个没有患阿尔茨海默病的人，但他们的年龄差不多，我们比较了这两个人，发现淀粉样蛋白的清除明显减少。但平均而言，淀粉样蛋白的生成速率没有显著变化。
Chris -这项研究的唯一问题是它告诉你已经被诊断出的人如果把时钟拨回到他们的生活中，或者往上看，看看那些将要患上阿尔茨海默病的人或者只是看看那些被认为健康的人，然后跟踪他们，看看谁得了阿尔茨海默病看看这些人身上是否有潜伏的上游疾病，这将是非常有趣的。
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阿洛伊斯•阿尔茨海默 |
兰迪-完全正确。这是一个很有见地的观点，随着研究的进行和参与者的加入，我们也打算这样做。事实上，我们对每个人都进行了长期的临床跟踪所以那些做了这项研究的认知正常的人，他们的清除率并不完全相同。有些更快，有些更慢，所以，基本的问题是，那些有轻微受损或受损的清除能力但现在认知正常的人，这些人在未来的某个时候患这种疾病的风险会增加吗?
Chris -你怎么知道患有阿尔茨海默病的人现在的清除率不是降低了因为这种疾病在某种程度上损害了大脑，而与阿尔茨海默病相关的神经细胞的减少损害了他们摆脱它的能力?这就是为什么你会看到;这是疾病过程的结果，而不是导致疾病的结果。
兰迪:根据目前的数据，没有办法区分这两种可能性。尽管我们可能会假设，例如，清除率的降低可能会导致淀粉样蛋白和斑块水平的增加，但这并没有在这项研究中得到证实。这是正在进行的研究的重点，以确定这是否正确。
本-兰迪·贝特曼，一位神经学家他正在寻找一种方法来消除老年痴呆症。他与克里斯·史密斯进行了交谈，并于本周在杂志上发表了这项研究科学．
滑翔机飞行员应该向猎鹰学习
各种形式的滑翔已经成为一种相对流行的消遣，如果你想滑翔超过几分钟，你必须利用热气流，这是热空气在周围较冷的空气中上升的区域。如果你能把你的滑翔机保持在这个柱子里，你就不用做任何工作就能被举起来。
问题当然是空气是透明的，所以你看不到热气流，你只能感觉到它们的影响。因此，我们制定了各种规则，使滑翔机保持在热气流中，基本上让你旋转，如果你的爬升速度提高，螺旋就会变大，这样你的翅膀就会变平，如果爬升速度变差，就会变紧。
如果你有一个干净的热气流，这个系统工作得很好，但如果有很多湍流，你会得到暂时的上升气流，这很容易与真正的热气流混淆。
Zsuzsa Ákos和他在Eötvös布达佩斯大学的同事们一直在研究带有GPS接收器的假隼的飞行。他们注意到，它们不是一直沿着一个方向旋转，而是偶尔交换方向，这听起来很愚蠢，因为这会导致它们离开它们所处的热环境，但在非常湍流的空气中，这意味着它们可以测试更大体积的空气，以寻找其他更好的热环境，如果它们找到了一个，它们就会留在那里，在计算机模拟中，这比更传统的策略要好。
这不仅是滑翔机飞行员感兴趣的地方，也是无人驾驶飞行器制造商感兴趣的地方，因为无人驾驶飞行器可以通过飞行节省大量的能量，像这样简单的规则可以让他们在飞行时不用花费大量的能量来计算下一步该做什么。
《四大行星家族》质疑形成理论
夏威夷凯克望远镜的观测证实了第四颗行星围绕着附近的一颗恒星运行，但这使目前的行星形成理论受到质疑。
加拿大赫茨伯格天体物理研究所的Christian Marois和他在美国的同事分析了恒星HR 8799的近红外图像，并在之前发现的三颗系外行星的基础上发现了一颗新的系外行星。这些行星具有特殊的特性，使这种成像成为可能:它们质量很大，新发现的行星质量在木星的7到10倍之间;它们离恒星本身很远，是太阳到地球距离的25倍以上;而且它们相对年轻，不到1亿年。年轻的行星在形成时仍然很热，这使得它们在这些频率上发出明亮的光。
发现新行星本身就很吸引人，但这个系统真正有趣的地方在于它不符合目前的行星形成模型。有两种模型可以描述这样的巨行星的形成。一种是核心吸积模型，在这个模型中，小块岩石碰撞并逐渐聚集在一起，直到行星有足够的质量，从而有足够的引力来维持大气层。然后是圆盘不稳定或引力坍缩模型，在恒星周围的物质圆盘的变化，原行星盘或proplyd，将凝聚成气体球，逐渐收集核心的尘埃物质。
以HR 8799系统为例，最里面的行星可能是通过核心吸积形成的，但更远的行星需要更长的时间;事实上，比恒星本身的年龄还要大。然而，如果我们观察圆盘不稳定性模型，原行星盘的条件并不适合最里面的行星形成。
那么这些行星是如何形成的呢?现在，我们还不能确定。作者说:“不能排除不同行星通过不同机制形成的混合过程，但由于这四颗行星的质量和动力学特性相似，似乎不太可能。”另一种选择是，行星在其他地方形成，然后移动到它们现在的位置，但在我们找到更多这样的系统之前，我们根本没有足够的信息来做出决定。但是，随着系外行星以惊人的速度被发现，我们可能很快就会发现更多这样的行星家族。
把奶酪送上太空
SpaceX是一家位于加州的相对较小的公司，它刚刚向太空发射了一颗人造干酪轮，更令人印象深刻的是，它在绕轨道运行了两个轨道后就降落了。为什么…本质上是因为他们可以。
真正令人印象深刻的是，SpaceX是一家相对较小的公司，主要由埃隆·马斯克所有，他从贝宝中赚了一大笔钱，并用它来制造太空火箭。SpaceX公司自己制造了猎鹰9号火箭和龙太空舱。这是私营公司第一次将物体发射到轨道上，然后将其完整地带回来。特别有趣的是，这个太空舱的设计目的是在未来的某个时候能够搭载7名宇航员。但目前，spacex公司正专注于利用“龙”号太空舱往返国际空间站运送货物。
把奶酪送上太空是因为他们需要一些东西作为有效载荷，没有理由不把奶酪送上太空。我认为，有人有能力把奶酪送上太空，因为他们想……
行星地球在线-监测红松鼠
来自利物浦大学的蒂姆·戴尔和朱利安·查特雷
本-在本周的《地球星球》节目中，我们来看看英国最受欢迎的哺乳动物之一，难以捉摸的红松鼠。它们多年来一直受到松鼠痘的威胁，2008年，这种病毒导致利物浦附近福姆比(Formby)为数不多的保护区之一的松鼠大量死亡。苏·纳尔逊参观了保护区，了解了一个为期四年的科学项目的更多情况，该项目旨在了解松鼠的免疫力，并改善红松鼠的保护。在那里，她遇到了利物浦大学兽医学院的朱利安·查特雷和研究员蒂姆·戴尔，他带着一堆很长的铁丝笼子。
蒂姆:我们有四个用来捕松鼠的陷阱。它们实际上是水貂陷阱，但它们通常使用相同的原理。
苏:所以它们基本上就是一个长方形的铁丝笼子，对吗?
蒂姆:没错。后面有一个压力板，有一个触发器，当压力板下降时，门就会自动关闭。我们通常用花生、玉米和黑葵花籽作为饵饵。
苏:这些放哪儿?
蒂姆:我们有两种抓松鼠的策略。一个放在地板上，另一个垂直地放在树干上。它们对红松鼠更有效，而地面陷阱对灰松鼠更有效。
苏:一旦你把松鼠困住了，你会怎么做?
蒂姆:首先要做的——因为我们首先关心的是松鼠的福利——就是盖好陷阱。这样会让它们平静下来，它们就不会感到害怕了然后我们就会准备好这些设备，对松鼠进行取样。
苏-朱利安，一旦你有了红松鼠的血液样本，你在找什么?
朱利安:我们正在寻找松鼠痘病毒的抗体，这表明这些松鼠在2008年的流行病中幸存下来，现在有抗体，对这种病毒有一定程度的免疫力。
苏:到目前为止，蒂姆，你发现了什么?
蒂姆:我们发现一小部分人群似乎确实有痘病毒抗体，这当然是一个好消息，因为它确实表明疫苗可能是一个可行的选择。就数量而言，这是一个非常非常小的百分比，因此，它不是解决红/灰松鼠疾病问题的答案。
苏:你说的红松鼠/灰松鼠病问题是因为灰松鼠对这种病毒免疫吗?
蒂姆:有效地说，是的。似乎是灰松鼠从美洲来的时候，把松鼠痘带来了。因为灰松鼠已经携带这种病毒进化了很长时间，所以它不会引起任何临床疾病。所以，他们可以继续正常的生活，而不会受到影响。
Sue -这听起来似乎对红松鼠种群来说是个潜在的好消息，但我确实感觉到，尤其是蒂姆，这里有一点谨慎。
朱利安-是的，你说得很对。当你解释这些血检结果的时候，你得小心一点。一些松鼠遇到病毒并存活下来，现在有抗体，这是好事，但这并不一定意味着它们免疫。我们所能做的就是监控它们的数量，确保它们的身体状况、体重和脂肪储备都符合标准，以确保它们能熬过即将到来的季节。如果再次爆发疫情，你会希望这些松鼠和它们的后代能够存活下来。但如果不监控这个群体，我们就不知道。
苏-蒂姆·戴尔，你脚边有个棕色的纸板箱。里面有什么?
蒂姆:我们拿到的是一只红松鼠，我们已经把它切碎并取样了。当我说“芯片”的时候，那是一种身份芯片，这样我们就可以识别我们过去抓过的每一只松鼠，在它和我们一起经历之后，我们就会把它放生。
苏:好的。好吧，它们很害羞吗?
蒂姆:当然。我们现在必须保持相当的安静……
苏:好吧，你打开盒子。里面有很多干干草和稻草，轻轻地移动。我的天哪!它很小，不是吗?它爬上了一棵树。这让我吓了一跳。它突然就消失了，不是吗?是的。哇!
蒂姆:是的，他们不会闲逛。它们是跑得很快的小动物。
利物浦大学的Ben - Tim Dale和Julian Chantrey与Sue Nelson一起庆祝一只健康的红松鼠的释放。
裸工程-制造石墨烯
与剑桥大学的Andrea Ferrari和Antonio Lombardo合作
戴夫:我们这周要讨论的是石墨烯，所以为了了解石墨烯是什么以及它是如何被发现的，我在剑桥大学的一个工程实验室见到了梅拉。
Meera -本周在Naked Engineering节目中，Dave和我来到了剑桥大学工程系的CAPE大楼，我们在这里学习有关石墨烯的所有知识。首先，戴夫，石墨烯到底是什么?
戴夫:好吧，我每天都会从更多的东西开始，那就是铅笔。在铅笔的中间，你会看到人们所说的铅笔芯，但它不是用铅做的。它实际上是由石墨制成的。这是碳的一种形式，当你用铅笔写字时，它会脱落，在纸上留下印记。它之所以写得这么好，部分原因是石墨非常非常滑。这是因为它是由很多很多层组成的，都是堆积起来的，这些层本身非常坚固，但层之间的键很弱，所以它们可以相互滑动，这是一种很好的润滑剂。现在石墨已经存在了几百年，人们已经知道它，人们用它制造铅笔。直到最近，人们才意识到，你可以把这些层中的一个，一个原子厚的层，分开，这就是石墨烯。
米拉:制作石墨烯的其中一个地方就是这里的洁净室，它是由纳米技术的读者安德里亚·法拉利和他在工程部的团队制作的。
Andrea:石墨烯的特别之处在于——主要有两个方面。首先，它是一个真正的二维材料。我们之前有过纳米管，纳米管是卷起来的石墨烯片。这是非常出乎意料的单层，而且它是稳定的。石墨烯的第二个特别之处在于它结合了电气和电子特性。所以石墨烯的电子表现为无质量的粒子，这意味着与任何传统的半导体相比，我们可以拥有巨大的迁移率和极好的电子性能。第二部分是光学性能，即使是单原子厚度，单层石墨烯也可以用眼睛看到并吸收2.2%的光。
Meera -石墨烯的一个有趣的方面是它最初是如何从石墨中分离出来的，因为它只是一个单原子层……
安德里亚:是的。我们要看到的第一种方法是最初由曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫发明的，这种方法只需要取一块石墨，一块胶带，然后把它剥下来，直到你得到一层，安东尼奥将向你展示怎么做。
Meera:今天和我们一起的是Antonio Lombardo, Andrea的博士生之一。
安东尼奥:好的，我要拿一小块石墨。我要把它们粘在胶带上。我会用另一段胶带，在某种程度上，只是为了清洁石墨的表面，多次，直到我得到一个漂亮而均匀的分布。一旦我对胶带上的石墨满意了，我就拿一个小硅片。它们被300纳米的氧化硅覆盖。一旦我们把硅衬底放在胶带上面，石墨的顶层和硅表面之间就会有一些相互作用。在这个过程的最后，我们有许多不同的层。这部分只有一个原子厚。
戴夫:这是一个非常简单的过程，你可以在家里做，只要你有一段胶带和一块石墨!
米拉:现在，我们已经发现了石墨烯是如何被分离出来的，我们现在要找出它的实际用途。我们来到了其中一个光学实验室，还在CAPE大楼里。安德里亚，石墨烯有哪些应用?
Andrea:很明显，人们首先想到的是传统电子产品，取代晶体管，这可能在不久的将来就会实现。然而，我们现在关注的是未来几年，也许三到五年内可能出现的应用，其中之一是柔性电子产品。所以我们可以把石墨烯和塑料结合在一起，制成透明的导电材料，可以代替笔记本电脑的屏幕，等等。
戴夫:因为石墨烯很薄，所以它是一种非常柔韧的材料。
安德里亚:当然。石墨烯非常柔韧，不会断裂。我猜如果你拿一块硅，你弯曲它，你会把它折断。石墨烯永远不会断裂。事实上，在平面上，石墨烯比金刚石更坚固。但是，它仍然同时保持了特殊的电子和光学特性。这就是为什么它是柔性电子产品的理想材料。
米拉:嗯，你在我们面前展示了一个柔性电子产品的例子。它看起来就像一块塑料，大约8平方厘米。
安德里亚:它实际上是一块塑料。实际上是两片塑料，我们把石墨烯放在上面，中间是一些液晶。我们使用石墨烯是因为它是导电的，而塑料不是。我们给石墨烯施加电压，石墨烯就能开关液晶，让光线通过。
戴夫:所以两片塑料上的石墨烯实际上是连接在某种电池上的。这两层石墨烯对中间的液晶施加了相当大的电压，这完全改变了液晶的光学行为。
事实上，塑料只是作为液晶的容器。它什么也不做。
米拉-所以现在，它有点模糊，它被放在一张纸上的一些文字上。由于屏幕模糊不清，你看不清字迹。
Andrea:现在，我们要施加电压，字就会出现。
米拉-是啊!这很清楚。
Andrea -是的，很清楚。它会变成一扇完全透明的窗户，事实上，我们可以利用稍微不同的技术，把它冷冻起来。所以很有可能将它冻结或冻结这就是你在办公室的屏幕上想要的，或者在汽车上，或者类似的地方。另一方面，如果我们放置更多的触点和更小的方块，我们就可以制作一个显示器，我们可以在那里显示一个图像，并随着时间的推移改变图像。
Meera -是什么让它比目前正在开发甚至正在使用的更好?
Andrea:目前，在电视和笔记本电脑的所有显示器中，你都使用ITO，也就是氧化铟锡或类似的材料。这些正变得非常昂贵。事实上，笔记本电脑的大部分成本都在屏幕本身。另外，还有一个很明显的暗示就是如果你把笔记本电脑弯曲，它就会坏。另一方面，这个是由塑料制成的，顶部是石墨烯。石墨烯永远不会断裂，所以它是柔韧的，可以工作。
米拉:那么我们离实际使用这些屏幕还有多远呢?
Andrea:你看，在这里，一个只有几个人的团队，两个团队之间的合作，我们可以做出相当大的可弯曲屏幕。与此同时，在韩国，三星基于一种略有不同的概念生产了更大的屏幕。所以，原型已经在这里了，我相信在明年左右，就会有一些基于这种屏幕的原型手机，然后真正的问题是，它会进入市场吗?不幸的是，这个问题我无法回答。你需要去问公司。
戴夫:刚才是安德里亚·法拉利和安东尼奥·隆巴多，他们解释了石墨烯是如何用石墨和胶带制成的，并证明了石墨烯可以制造出非常好的柔性屏幕的原理。
本，如果你想知道更多，你可以找到
一段视频展示了这种胶带方法的实际应用．
Dave - Naked Engineering是由皇家工程院的Ingenious基金支持的。
当胶带不够用的时候——制造石墨烯的方法
杜伦大学的卡尔·科尔曼博士
本:使用胶带只是获得石墨烯的一种方法，正如安德里亚所说，对于三星制造电视屏幕来说，它不太可能有多大用处。确切地说，石墨烯是如何制成的，很大程度上取决于你打算用它做什么。为了进一步解释，我们请来了卡尔·科尔曼博士。他来自杜伦大学化学系。卡尔，非常感谢你参加我们的节目。
很高兴见到你。
本:我们如何大量生产石墨烯?对于石墨烯的物理研究来说，胶带是很好的，但我们如何大量生产呢?
卡尔:是的。我的意思是，你可以想象，如果你想要大量的材料，使用胶带是有点劳动密集型的。有很多方法可以做到这一点，我想我们可以把它们分为两大阵营。一种自上而下的方法，胶带法是一种自上而下的方法，从石墨开始到薄层，然后是自下而上的方法。所以从上到下，你可以用化学方法来代替胶带的使用。所以有些人基本上是用石墨在氧化酸比如硫酸的存在下进行快速热膨胀。这就把这些层分开了，也就得到了单层。这是另一种产生它的方式当然，你可以想象它的可扩展性会更强。
Ben:所以实际上，通过过热加热一块石墨，而不是剥离石墨层，你会使石墨层自发地破裂。
卡尔:没错。所以，只要给它一个大的能量，通过氧化酸，把这些层分开，然后你就会得到一些单片。当然，如果里面有很多石墨杂质的话分离起来会比较困难。所以有很多的处理是必要的，很多的离心，在溶剂中分散。使用这种方法还需要克服其他障碍。如果你选择更多自下而上的方法，你可能会认为它更具可扩展性，那么我们谈论的更多的是CVD，也就是化学气相沉积方法。在那里，你可以分解任何你喜欢的含碳氢化合物的气体;甲烷，乙烷，丙烷，等等。人们倾向于使用甲烷，但你也可以使用甲烷和氢的混合物，并将其流动在金属催化剂上，石墨烯研究人员目前喜欢做的是使用镍或铜——铜可能是最突出的。你可以通过分解铜上面的甲烷氢来生长石墨烯薄膜，我相信韩国科学家三星正在使用这种方法来生长几十厘米的石墨烯薄膜。 So that's a little bit more scalable and easy to use than sticky tape.
本:我们不再使用那些因为使用过多而变得相对稀有的东西，比如我们现在在屏幕上看到的铟，而是使用铜，铜很常见，而且相对便宜，还有像甲烷或碳氢化合物这样的东西，它们的价格正在缓慢上升，但我们仍然有很多。
卡尔-我们还有很多。我的意思是，我想这是关于使用化石燃料的另一个问题。但是，是的，我们确实有大量的天然气。所以使用天然气，你需要氢气，你需要还原气氛，这是关键。铜可能是最有用的因为碳在铜中的溶解度很低。这就是为什么你倾向于在铜衬底上只生长一层或两层的原因之一。当然，它也有自己的困难，因为你必须去除铜，因为取代氧化铟锡的整个想法，当然是要有一个透明的电极，而铜是不透明的，所以你需要去除铜，所以通常是蚀刻去除铜，然后你可以把石墨烯薄膜转移到塑料上，组装塑料电子产品。
所以，我们仍然有相当复杂的方法来创建它。是否有一种很好的方法和几种不太好的方法，或者它们都比其他的有优势，这取决于你真正想要的产品?
卡尔-是的。这取决于你想做什么这将决定你想用什么方法。微观机械方法，比如透明胶带，对物理学家来说是非常好的，他们需要一小块石墨烯，或者一小片石墨烯，他们可以研究它，测量它，做很多不同的事情。显示器显然有一点不同，所以你需要一大块铜箔之类的东西来让你的薄膜在上面生长，然后你必须把它从铜转移到你的塑料上，然后把铜去掉。我的意思是，如果你想替换ITO，那就是你会用的方法。但是如果你要把它用在复合材料中，目前有很多关于在复合材料中使用石墨烯作为纳米填料的工作正在进行。当然，这两种方法都不合适，所以我们需要另一种方法来制造石墨烯。CVD有多种方法可以做到这一点，所以你不用铜箔，你用其他金属催化剂，或者你用喷雾热解的方法来得到石墨烯粉末，然后你可以把它分散在聚合物基质中来制造复合材料。所以这取决于你想用它做什么。
本-复合材料是一种相对较新的材料，我们使用它的时间还不长，但它们在航空航天工业中掀起了巨大的浪潮。大卫·沃利通过推特向我们提出了一个问题。他想知道石墨烯是否有可能用于宇宙飞船。我想我们看到的应该是复合材料。
肯定会有合成物。就其本身而言，很难用于航空航天。所以，它会被整合到某种聚合物基质中。是的，有很多碳基纳米填料。当然，我们都熟悉碳纤维，这可能是目前最常见的一种，碳纳米管也取得了一些进展，但当然，与之相关的一些问题。我真的认为，人们一直在看这些一维的，高纵横比的材料作为填充物。然后石墨烯出现了，并挑战了碳纳米管作为碳纤维替代品的前景。所以，你必须把它放入某种聚合物基质中，比如树脂或热塑性塑料，我想纳米填料的区别在于与碳纤维相比，你需要的纳米填料要少得多。因此，这为那些处理复合材料的人开辟了一个全新的游戏，他们如何处理材料，如何塑造复杂的形状，等等。因此，它打开了一扇新的大门，也许这是碳纤维无法做到的，但你仍然可以获得高强度和重量，而这一比例是复合材料所需要的。
石墨烯的应用
莱斯大学的詹姆斯·图尔
石墨烯似乎是一种非常通用的材料，我们应该很快就会看到它在一系列应用中出现。现在我们请到了James Tour他是莱斯大学化学，机械工程，材料科学和计算机科学的教授这是一个令人难以置信的令人印象深刻的名单。詹姆斯，谢谢你参加我们的节目。那么，是什么让石墨烯如此有用呢?它的性质是什么?
詹姆斯:嗯，它当然可以做很多事情。我认为从电子学的角度来看，它可以携带大量的电流，对于同样大小的结构，远远超过铜或金。它具有非常高的移动性，这意味着你可以构建非常快速的开关设备，如果你想要能够进行高性能计算，这是非常重要的。这个数字高得吓人。如果你考虑到每片硅的迁移率约为500，那么石墨烯的迁移率已高达100万左右。因此，它可以使用更快的开关，然后在显示方面，但也可以与流体一起工作。
戴夫:你刚才说的是机动性。流动性到底是什么?
James -所以，我猜你可以想象的一种方法是如果你切换一个设备，你把载波都朝一个方向移动，这样它们就可以传播，你必须等待那些载波通过硅来传递你的信息。所以你不能把它切换回另一个方向，直到载体在一个方向上走了所有的路。所以有一个时间延迟。你不能随心所欲地切换。你得等着东西穿过它。但是如果东西可以非常快地传递，那么你就可以保持更快的交换速度，你就可以建造更快的交换。
戴夫:所以，目前计算机芯片速度的一个主要限制是信号从晶体管的一边传到另一边所花费的时间，你说石墨烯比硅快一千多倍。那么，用石墨烯制造计算机芯片有多难呢?
詹姆斯:嗯，你当然可以制造一个晶体管。很多人都在这样做，但在我们的电脑里，我们有数十亿，数百亿，数千亿这样的人。所以，还没有人能解决这个问题，但是石墨烯的好处是你不能用碳纳米管得到石墨烯，如果你做一层石墨烯，你可以用电阻和光把它切碎，就像你用硅做的那样，所以你可以用那种方式制作图案。所以你做了一个大的区域，然后把它切成你想要的小块，这是碳纳米管永远无法做到的。然而，问题仍然存在，因为它是一个平面结构，一般来说，你想要做的是垂直建造。这和吸管类似。如果你的吸管放在一个表面上，你只能得到这么多，但如果吸管是直立的，你可以装更多，现在，硅是垂直组装的，而不是水平组装的，所以你可以在芯片上得到更多，而石墨烯主要是水平组装的，这就是它的方式，直到我们在生长方法和转移方法上有了更好的发展，可能会允许它垂直。因此，在它开始与硅相抗衡之前，还有很多障碍需要克服。
戴夫:所以现在用石墨烯，即使是简单的把一根电线穿过另一根电线都是非常困难的。
詹姆斯-不。你可以把一根电线穿过另一根。石墨烯可以很好地做到这一点，但在像硅这样的垂直阵列中，就很难了。但这是在高端电子产品领域对硅的挑战，这对石墨烯来说并不公平，因为硅已经研究了50年，可能投入了数百万人的时间，投入了数万亿美元或英镑。因此，在硅领域有很多发展。石墨烯有一个非常惊人的基本特性，在较低层次的应用中，它将会很有竞争力，比如我们听说过的触摸屏显示器，能够把这些东西卷起来，折叠起来，这将是非常好的，这样当你掉下iPhone时，你就不会有一个破裂的屏幕，这对用户来说是一个真正令人头疼的问题。
戴夫:因为到目前为止，标准的透明电极是氧化铟锡，它是一种陶瓷，不是吗?它很脆，而石墨烯很薄，所以它必须是柔韧的。
詹姆斯:是的，它是柔韧的，所以你可以把它放在一个柔韧的基板上，这样你就可以把你的iPhone卷起来放在耳朵后面，像一支铅笔或其他什么东西一样，然后走开。我的意思是，这当然是有可能的。
戴夫:所以你可以用石墨烯制造所有的电子产品。我是说，石墨表现得像金属。它只是导电，所以你能把石墨变成半导体和导体吗?
詹姆斯-说得好。石墨烯是一种金属，它的带隙是零或接近零，所以你必须把它变成半导体。这可以通过放入杂质原子来实现，然后你就可以开始打开一个间隙。我们不能像我们希望的那样完全控制这一点，但研究人员一直在做得更好。所以，我认为这将会打开，但我不认为这将是应用的前沿，我认为应用将会比主流电子产品更容易进入市场。
戴夫:那么，这将构建透明的东西。事实上，巴里·弗里曼说的是，“石墨烯在商业上可行吗?我们什么时候能看到它被使用?”
詹姆斯:再一次，我认为一些更简单的应用是，例如，我们正在研究的一件事是将石墨烯和氧化版的氧化石墨烯放入钻井液中，这种钻井液用于在地下钻洞，在那里可以找到石油。其中一个问题是液体渗透到岩石中，当你试图从岩石中提取石油时，岩石经常被堵塞，它们必须回到岩石中，试图把这些液体洗出来。我们发现，如果我们能在油基钻井液中加入石墨烯，或者在水基钻井液中加入氧化石墨烯，它们就能起到小纳米过滤器的作用，防止钻井液渗入岩石。这是一个非常简单的应用，所以任何时候你在谈论纳米技术，你有高水平的应用，然后你有简单的应用。所以你有主动应用，你要求很多材料，要求它有移动性，要求它接受一个电子，释放一个光子，或者你有被动应用，仅仅是它的存在，作为一个过滤器或其他东西。这是一个非常被动的应用，所以它可以更容易地进入这个行业，我认为这是我们开始看到最初应用的地方。复合材料是一种被动的应用，它的存在，导致复合结构，分子和复合材料通常更硬，因为它们必须在纳米结构之外对齐，这样就增加了复合材料的性能。所以简单的应用程序总是先插入。
戴夫:太棒了!非常感谢你，詹姆斯。以上是莱斯大学的詹姆斯·图尔教授的报道。
石墨烯能转化为金刚石-苯吗?
戴夫，我先从金刚石和石墨开始，它们是大尺度结构，三维结构。石墨和钻石有着惊人的不同结构，尽管它们都是由碳原子构成的。在石墨中，你有一系列由六边形排列的碳原子组成的平面，所有的碳原子都镶嵌在一起，所有的六边形都在一个原子的交汇处。而钻石是四面体结构每个碳原子都与四面体金字塔或三角形金字塔的四个角紧密相连。这就是为什么钻石非常坚固的原因。它在每个可能的方向上结合，而石墨在平原内部的结合非常强，但在平原之间的结合非常弱，所以它们相互滑动，这是一种很好的润滑剂。
本:所以，如果你想在两者之间转换，你实际上必须打破并重建大量的化学键，所以这一定是一个非常密集的过程?
戴夫:是的，没错，钻石只有在非常非常高的压力下才稳定。碳在室温常压下的稳定形态是石墨。因此，为了将石墨烯或石墨转化为金刚石，首先，你必须使用极高的压力。而且，钻石本质上是一种三维结构，所以它的单一平面，相当于石墨烯，是没有意义的。它会非常不稳定，会立即转化成石墨烯之类的东西，或者直接分解。
所以，石墨烯本身并不是制造平面金刚石的更好的材料。你还不如直接使用任何旧的碳。
戴夫:是的，没错，也许从甲烷之类的气体中或者他们之前说过的CVD过程中得到它要容易得多。
为什么我们认为石墨烯是二维的?
我们向杜伦大学的卡尔·科尔曼博士提出了这个问题……
我想你可能会说它有第三维度，但是，一个原子的厚度真的是你能做到的最薄的了。所以，我认为它的厚度在一个方向上是可以忽略不计的，这就是为什么我们称它为二维材料，而石墨当然是三维的，它有几个层组成结构。所以基本上，你不可能比一个原子还薄。
戴夫:我想，电子实际上是有波长的，所以实际上有点像尺寸，波长是石墨烯厚度的数量级。所以，对于电子来说，它看起来确实像一个二维的东西，因为它和它们一样厚。
卡尔-是的。它被限制在二维空间中。你说得对，是的。
石墨烯与巴克敏斯特富勒烯相比如何?
詹姆斯-所以，如果你有一个巴克球，那就被认为是零维的。即使它有维度，它也不会向不同的方向延伸。如果你有一个纳米管，它被认为是一维的。它在一个方向上延伸，在另一个方向上，它只有大约一纳米宽。但从根本上说，它被认为是一维的，而石墨烯就像一张纸，它是二维的。富勒烯在高压下会分解成很多结构这就是为什么它们不是很好的润滑剂。石墨烯是否会成为一种很好的润滑剂，我不知道。石墨是一种三维结构，是一种很好的润滑剂，因为它能够剪切掉很多很多的石墨烯，而石墨烯正是使石墨烯光滑的原因。
本:所以，纸本身可以相互滑动，这也是为什么它们是好的铅笔芯。
James:正确，至于一层石墨烯是否能成为一种好的润滑剂，我宁愿怀疑，因为它没有那种滑动过自己的能力。它只有一个原子厚。
血液有磁性吗?
我们采访了约克大学健康科学系的斯图尔特·里士满，为我们回答这个问题。
斯图尔特-血液中含有铁的事实是一些人认为磁性手镯可能对人体有影响的原因之一。然而，血液并不是传统意义上的磁性。换句话说，它不是铁磁性的，这是大多数人所理解的磁性。
如果血液是铁磁性的，那么人们就会流血致死或在核磁共振扫描仪中爆炸，而核磁共振扫描仪产生的磁力比磁性手镯强得多。
所以，尽管脱氧血红蛋白是顺磁性的，被磁铁轻微吸引，而且氧合血红蛋白和血浆都是抗磁性的，换句话说，被磁铁轻微排斥，理论上，戴上磁性手镯应该不会有生理上的影响。
首先，红细胞内离子极性的任何影响都将消失，因为血液是以加压和湍流的方式流动的。
其次，血液是热的，所以任何顺磁效应的发生都需要克服布朗运动的力量。所有这些都极不可能发生。
那么，我们转到问题的第二部分，磁性手环真的有用吗?在我对关节炎磁铁疗法的研究中，我一开始并没有询问磁性手环可能如何工作，而是测试它们是否对人类健康有任何影响，并试图控制想象力的力量。现有的最佳证据表明，磁铁疗法除了对关节炎和疼痛控制的安慰剂效应外，没有任何有意义的效果。尽管有一些相互矛盾的结果，但似乎那些显示出益处的试验也往往存在盲性问题，这可能解释了这些发现。
戴安娜:当他说测试对象不是盲人时，这意味着他们能够识别他们的手镯是否有磁性，这可能会改变试验的结果。
斯图尔特:所以，尽管如此，如果人们选择相信戴磁铁会有帮助，那么积极建议的效果不应该被忽视，那么它很可能会有帮助。虽然没有已知的副作用，但危险在于人们可能会使用磁性手环而不是其他临床有效的治疗方法。
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