利用多孔石墨烯材料的优势,而石墨烯更是碳时代的代表性材料

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浙江大学利用石墨烯制成的碳海绵很轻,很容易被玻璃棒上的静电吸附。龙 巍摄

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某新概念武器效果图

不久前,清华大学的研究团队发布了一项智能石墨烯人工喉的发明,利用多孔石墨烯材料的优势,制造出一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件,有望在未来解决聋哑人的说话难题。

在国际上,英国剑桥大学等机构的研究人员则报告说,他们找到一种新方法来“唤醒”石墨烯的超导性,“被唤醒”后的石墨烯能够用于制造超级计算机等。不久前,清华大学的研究团队发布了一项“智能石墨烯人工喉”的发明,利用多孔石墨烯材料的优势,制造出一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件,有望在未来解决聋哑人的“说话”难题。

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在国际上,英国剑桥大学等机构的研究人员则报告说,他们找到一种新方法来唤醒石墨烯的超导性,被唤醒后的石墨烯能够用于制造超级计算机等。

石墨烯,堪称当前最热的全新材料。在航空领域,人们用“难得的元素”形容轻得像空气、坚硬得像钢铁的性能完美的材料。此前,钛合金算是最接近这一品质的理想之选,而“后起之秀”石墨烯则被认为向人类梦想的“难得的元素”更近了一步。

石墨烯效果图

石墨烯,堪称当前最热的全新材料。在航空领域,人们用难得的元素形容轻得像空气、坚硬得像钢铁的性能完美的材料。此前,钛合金算是最接近这一品质的理想之选,而后起之秀石墨烯则被认为向人类梦想的难得的元素更近了一步。

什么是石墨烯

有学者曾说:“19世纪是铁器的时代,20世纪是硅的时代,21世纪是碳的时代。”而石墨烯更是碳时代的代表性材料。石墨烯是一种只有一个原子厚度的呈六角形蜂巢晶格的二维碳膜。它从石墨中而来,把石墨片剥成单层形成只有一个碳原子厚度的单层结构,就形成了石墨烯。尽管石墨烯还未投入大规模的产品生产阶段,但其展现出的性能优势使得人们对其在未来战场上的应用前景充满期待。

什么是石墨烯

目前世界上最薄最轻最强的材料,硬度比最强的钢铁还要强100倍

“削铅笔芯”的启示

目前世界上最薄最轻最强的材料,硬度比最强的钢铁还要强100倍

和金刚石一样,石墨是碳元素的一种存在形式。不同的是,由于原子结构不同,金刚石是地球上最坚硬的东西,石墨则是最软的矿物之一,常做成石墨棒和铅笔芯。石墨烯就是从石墨材料中剥离出来的,只由一层碳原子在平面上构成。

由于石墨晶体中层与层之间的间隔较大,且以范德华力相结合,层状结构相对松弛,而石墨烯中碳原子之间柔韧性较大,因此,将石墨层层剥离,并最终得到性能优异的单层石墨烯成为几个世纪来科学界的反复尝试。但是,石墨烯的制备却并非易事。举例而言,一支普通的铅笔芯大约由300万层的石墨烯所迭加而成,科学家们尝试了很多种办法试图将石墨烯剥离,但均以失败告终。直至2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆与他的同事从“削铅笔芯”得到灵感,偶然中发现了一种简单易行的新方法——微机械剥离法:将石墨薄片粘贴在约15-16cm长的塑料胶带上,然后将胶带折叠过来,粘在薄片的另一面上,将石墨薄片夹在中间,并将胶带和石墨薄片分开,以此将石墨薄片平稳地分成两片,厚度减为原来的1/2。此后,将上述步骤重复10次,不断分割上次得到的薄片,并最终得到单层的石墨烯。2010年10月5日,安德烈·K·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的卓越研究而获得诺贝尔物理学奖。

和金刚石一样,石墨是碳元素的一种存在形式。不同的是,由于原子结构不同,金刚石是地球上最坚硬的东西,石墨则是最软的矿物之一,常做成石墨棒和铅笔芯。石墨烯就是从石墨材料中剥离出来的,只由一层碳原子在平面上构成。

可以说,石墨烯的特点之一就是薄,堪称目前世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚,约0.3纳米,是一张A4纸厚度的十万分之一,头发丝的五十万分之一。同时,它又能导电,电子在石墨烯中的运动速度达1000千米/秒,是光速的1/300。轻薄、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们很多想象空间。

除了微机械剥离法,如今还出现了其他有关石墨烯剥离的新方法,如外延生长法、氧化石墨还原法等等。

可以说,石墨烯的特点之一就是薄,堪称目前世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚,约0.3纳米,是一张A4纸厚度的十万分之一,头发丝的五十万分之一。同时,它又能导电,电子在石墨烯中的运动速度达1000千米/秒,是光速的1/300。轻薄、强韧、导电、导热石墨烯这些特性赋予人们很多想象空间。

中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室副主任孔月婵博士介绍说,石墨烯的硬度非常强,比现在最强的钢铁还要强100倍;石墨烯的电子运行速度也非常高,是硅的10倍,非常适合发展下一代超高频电子器件。此外,石墨烯还是传导热量的高手,比最能导热的金属银还要强10倍。

“神奇材料”的特性

中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室副主任孔月婵博士介绍说,石墨烯的硬度非常强,比现在最强的钢铁还要强100倍;石墨烯的电子运行速度也非常高,是硅的10倍,非常适合发展下一代超高频电子器件。此外,石墨烯还是传导热量的高手,比最能导热的金属银还要强10倍。

石墨烯的特性,也表现得很“好玩”。比如当一滴水在石墨烯表面滚动时,石墨烯能敏锐地“觉察”到细微的运动,并产生持续的电流。这种特性给科学家们提供了一种新思路来从水的流动中获取电能。

石墨烯以其优于其他材料的特性必将在军事领域大显身手。

石墨烯的特性,也表现得很好玩。比如当一滴水在石墨烯表面滚动时,石墨烯能敏锐地觉察到细微的运动,并产生持续的电流。这种特性给科学家们提供了一种新思路来从水的流动中获取电能。

“石墨烯可以对单个电子进行感应,带电粒子在石墨烯表面的移动可引起石墨烯内电子的快速移动,实现传感和发电过程。”浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说,石墨烯的这一特性在能源与电子传感方面可以有很多应用,比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞来进行发电,或者可以做成灵敏的传感器件等。

一是材质坚硬。石墨烯的厚度为0.34纳米,比表面积约为2630平方米/克,为已发现的最薄的材料,但其强度却达到180吉帕(约为普钢钢材的100倍),是人类已知强度最高的物质。哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力,在被实验的石墨烯样品微粒开始碎裂前,每100纳米距离上的石墨烯可承受的最大压力达到2.9微牛左右。这意味着如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。石墨烯兼具轻薄而坚硬的材料特性可以使得其在军队轻型运输装备、防御型武器装备的材料生产中发挥出巨大的潜力。

石墨烯可以对单个电子进行感应,带电粒子在石墨烯表面的移动可引起石墨烯内电子的快速移动,实现传感和发电过程。浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说,石墨烯的这一特性在能源与电子传感方面可以有很多应用,比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞来进行发电,或者可以做成灵敏的传感器件等。

正是这些全面的性能,让石墨烯受到了前所未有的关注,一些人甚至开始预言,石墨烯的出现将引领一场由材料进步而引发的工业革命。

二是透光率高。石墨烯吸收约2.3%的光,而其透光率则在97%以上,这使得它能够做到几乎完全透光,加之石墨烯具备良好的柔性。可以设想,如果手机、平板电脑上的其他部件和材料也应用石墨烯进行相应的改进,那么未来电子产品的显示屏就有可能真正实现可折叠。而这样的技术将使得未来的军事装备设计更加得心应手,富有人性化。美国辉锐科技公司研发并制造出大面积柔性触控屏,率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场,并获专业的科技行业投资基金IDG资本入股成为其股东之一。可见,石墨烯不仅在国防科技领域具有重要的发展前景,其广阔的应用范围也引发了民营企业的密切关注。除辉锐科技公司外,韩国三星去年便宣称已将石墨烯成功应用于触摸平板显示器,并制造出多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,可广泛应用于移动设备。

正是这些全面的性能,让石墨烯受到了前所未有的关注,一些人甚至开始预言,石墨烯的出现将引领一场由材料进步而引发的工业革命。

怎样获取石墨烯

三是能量损耗低。科学人员通过对机械剥离法制备的石墨烯进行研究发现,在石墨烯的导带和价带之间有重叠,而电子和空穴在其中均有很高的迁移率,其电子迁移的速度仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。一方面,由于石墨烯电阻率极低,这样高的电子迁移速率使得石墨烯的能量损耗极低。中国科学技术大学教授曾长淦曾说:“电子在石墨烯里边好像没有质量一样,运动速度非常快。”另一方面,相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G,这对于提高芯片性能具有显著影响。这将使得未来国防科技装备具备更快更强的“大脑”。

怎样获取石墨烯

世界上第一次得到单层石墨烯,是靠透明胶“粘”出来的

此外,石墨烯对于气体、液体等几乎是“零渗透”。这意味着,如果给舰艇涂上石墨烯涂层,就好似穿上一身“刀枪不入”的防腐铠甲。这些令人感到惊奇的特性也让石墨烯在短短数十载中逐渐成为人们公认的“新材料之王”。

世界上第一次得到单层石墨烯,是靠透明胶粘出来的

人们第一次获取到石墨烯,用的是“简单粗暴”的办法。

“革新装备”的应用

人们第一次获取到石墨烯,用的是简单粗暴的办法。

石墨烯本身存在于自然界。石墨烯是一层碳原子形成的薄片,原子之间形成一个六角形的环,环环相连形成蜂窝状的平面。它一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层到几十层石墨烯。此前,碳的这种二维结构形式一直存在于人们的猜想中,只是难以剥离出单层结构。关键的难题,就是怎样让石墨分层到极薄的薄片。

武器装备是战争的主要物质手段,受军事需求牵引和技术进步推动而发展。实验数据显示,石墨烯可以迅速分散冲击力,并能中断通过材料的外展波,承受冲击的性能远胜钢铁和凯夫拉等材质。此外,科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长,而人类细胞则不会受损,利用这一点可以利用石墨烯来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫。

石墨烯本身存在于自然界。石墨烯是一层碳原子形成的薄片,原子之间形成一个六角形的环,环环相连形成蜂窝状的平面。它一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层到几十层石墨烯。此前,碳的这种二维结构形式一直存在于人们的猜想中,只是难以剥离出单层结构。关键的难题,就是怎样让石墨分层到极薄的薄片。

许多人在学生时代也都有这样的经历,当在纸上写错字的时候,就会用透明胶带,把错字粘掉。但谁也没有想到,就是这样一个简单的方法,让人们发现了神秘的石墨烯。

如今,一方面,石墨烯已在未来军备竞赛中表现出巨大的应用潜力,成为大国发展军事技术的关键突破口;另一方面,石墨烯所存在的隐患也是不能忽略的。举例而言,石墨烯产业目前最成熟的产品之一是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”,它的制备成本很低,虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端领域,但依然是电子纸等的优选材料。但其对人体很可能是有毒的,并且科研人员发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。

许多人在学生时代也都有这样的经历,当在纸上写错字的时候,就会用透明胶带,把错字粘掉。但谁也没有想到,就是这样一个简单的方法,让人们发现了神秘的石墨烯。

制造石墨烯,简单说就是要把石墨变薄,不能靠切,不能靠磨,而要靠粘。2004年,英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫,用透明胶将一块石墨片反复粘贴与撕开,石墨片的厚度逐渐减小,最终形成了厚度只有0.335纳米的石墨烯,也就是只有一个原子厚度的石墨烯。这是世界上第一次得到单层的石墨烯,两位科学家因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

前不久,工信部、发改委和科技部联合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出将石墨烯产业打造成先导产业,逐渐实现石墨烯材料在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用,并提出到2020年,形成完善的石墨烯产业体系。根据此次三部门印发的《意见》,未来,石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施,以及新能源、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。

制造石墨烯,简单说就是要把石墨变薄,不能靠切,不能靠磨,而要靠粘。2004年,英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫,用透明胶将一块石墨片反复粘贴与撕开,石墨片的厚度逐渐减小,最终形成了厚度只有0.335纳米的石墨烯,也就是只有一个原子厚度的石墨烯。这是世界上第一次得到单层的石墨烯,两位科学家因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室高级工程师吴云博士给记者做了演示。他把一小片石墨片粘在胶带上面,然后对它进行交叠的撕拉。粘了半个小时后,胶带上面已经布满了灰色的石墨,然后再用胶带把这些石墨转移到了一块干净的硅片上。

笔者认为,在石墨烯的技术发展上,首先是要把握发展时机,实现技术创新;其次,由于石墨烯的研究还不成熟,并存在着风险和不确定性,因此,制定出科学合理的技术路线是实现跨越式发展的关键所在。如康斯坦丁·诺沃肖洛夫曾说:“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现,即那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。”

中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室高级工程师吴云博士给记者做了演示。他把一小片石墨片粘在胶带上面,然后对它进行交叠的撕拉。粘了半个小时后,胶带上面已经布满了灰色的石墨,然后再用胶带把这些石墨转移到了一块干净的硅片上。

吴云说,这时候看到的都不是石墨烯,因为石墨烯不仅非常薄,而且透光度达到97%以上,几乎完全透明,人的肉眼是根本看不到的,要找到它,还得通过专用技术手段。但这已经是多层的石墨片,再通过技术手段定位并确定层数,最终才能找到制作出的单层石墨烯。

(作者:贾珍珍 石海明 杨晓琳 单位:国防科技大学国际问题研究中心)

吴云说,这时候看到的都不是石墨烯,因为石墨烯不仅非常薄,而且透光度达到97%以上,几乎完全透明,人的肉眼是根本看不到的,要找到它,还得通过专用技术手段。但这已经是多层的石墨片,再通过技术手段定位并确定层数,最终才能找到制作出的单层石墨烯。

专家说,这只是最初生产石墨烯的方法。胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法,只是实验室制备石墨烯的一种方法。目前,随着技术进步,高质量的石墨烯可以被更多地生产出来。

专家说,这只是最初生产石墨烯的方法。胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法,只是实验室制备石墨烯的一种方法。目前,随着技术进步,高质量的石墨烯可以被更多地生产出来。

石墨烯将带来什么

石墨烯将带来什么

应用石墨烯材料,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠

应用石墨烯材料,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠

石墨烯的出现,有望给我们的生活带来惊喜。手机充电可以“秒充”,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠,汽车可以使用石墨烯导静电轮胎,避免摩擦起电发生爆燃……从航空航天、电子信息到节能环保,利用石墨烯的特性,很多领域很可能都会发生巨大的变化。

石墨烯的出现,有望给我们的生活带来惊喜。手机充电可以秒充,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠,汽车可以使用石墨烯导静电轮胎,避免摩擦起电发生爆燃从航空航天、电子信息到节能环保,利用石墨烯的特性,很多领域很可能都会发生巨大的变化。

用石墨烯替代硅,可以提高电子芯片的性能。科研人员目前正把石墨烯的生产和应用引入半导体行业,石墨烯引发的技术革命很可能从我们常见的小小芯片开始。

用石墨烯替代硅,可以提高电子芯片的性能。科研人员目前正把石墨烯的生产和应用引入半导体行业,石墨烯引发的技术革命很可能从我们常见的小小芯片开始。

电子芯片的基础材料是硅。然而,随着芯片上元器件越来越密集,最高端的芯片上,两个元器件之间的距离已经不到10个纳米,几乎到达硅材料的极限。想要继续提高性能,该怎么办?科研人员开始尝试用石墨烯部分代替硅的作用。

电子芯片的基础材料是硅。然而,随着芯片上元器件越来越密集,最高端的芯片上,两个元器件之间的距离已经不到10个纳米,几乎到达硅材料的极限。想要继续提高性能,该怎么办?科研人员开始尝试用石墨烯部分代替硅的作用。

“由石墨烯制作的器件,理论上频率可以达到硅的十倍甚至上百倍,可以在雷达上应用,大幅提高雷达的分辨率。而且在通讯、成像上都有比较广泛的应用。”孔月婵介绍说,而且,当前石墨烯的研发生产设备和普通半导体器材生产设备一样,现有的技术开发都可以基于成熟的设备和工艺,为后续的工程化研制奠定了基础。

由石墨烯制作的器件,理论上频率可以达到硅的十倍甚至上百倍,可以在雷达上应用,大幅提高雷达的分辨率。而且在通讯、成像上都有比较广泛的应用。孔月婵介绍说,而且,当前石墨烯的研发生产设备和普通半导体器材生产设备一样,现有的技术开发都可以基于成熟的设备和工艺,为后续的工程化研制奠定了基础。

科研人员还在做另一件大事。他们让石墨烯附着在厚度只有50纳米的金箔上,然后用一套新的办法,把石墨烯完整地转移到柔软的塑料片上。

科研人员还在做另一件大事。他们让石墨烯附着在厚度只有50纳米的金箔上,然后用一套新的办法,把石墨烯完整地转移到柔软的塑料片上。

孔月婵说,石墨烯可以通过灵活的方法转移到任意科研人员希望的衬底上,比如电子器件上专用的一个塑料衬底,它具备柔性,也适合晶体管的制备过程。通过特别的石墨烯转移技术,将带有石墨烯的金箔附着在了塑料片上,以之为基础在这块塑料片上制备出具有一定功能的电子器件。最关键的是,这样的电子器件可以轻松弯曲。未来无论是可以折叠的显示屏幕,还是能够植入人体的可穿戴设备,都可能靠这样的石墨烯器件来实现。

孔月婵说,石墨烯可以通过灵活的方法转移到任意科研人员希望的衬底上,比如电子器件上专用的一个塑料衬底,它具备柔性,也适合晶体管的制备过程。通过特别的石墨烯转移技术,将带有石墨烯的金箔附着在了塑料片上,以之为基础在这块塑料片上制备出具有一定功能的电子器件。最关键的是,这样的电子器件可以轻松弯曲。未来无论是可以折叠的显示屏幕,还是能够植入人体的可穿戴设备,都可能靠这样的石墨烯器件来实现。

石墨烯另一个被寄予厚望的应用领域是电能的储存。在天津电源研究所,这里的科研人员正在开展最先进电容器的研究。电容器与电池一样,都能用来储存电能。它的优势在于充电速度快,几分钟就能充满,而且可以重复使用几万次。但它存储的电量不如电池多,还无法通过存储足够多的电能在生活里派上大用场。

石墨烯另一个被寄予厚望的应用领域是电能的储存。在天津电源研究所,这里的科研人员正在开展最先进电容器的研究。电容器与电池一样,都能用来储存电能。它的优势在于充电速度快,几分钟就能充满,而且可以重复使用几万次。但它存储的电量不如电池多,还无法通过存储足够多的电能在生活里派上大用场。

bob体育黑平台网 ,“这是我们已经做好的改性石墨烯配成的浆料,下一步我们就把这些浆料通过涂布机涂到铝箔上,成为我们石墨烯电容器所用的正极。”中国电科18所化学与物理电源技术国防科技重点实验室常务副主任丁飞博士说,电容材料对电容器的性能有着至关重要的影响。通过对石墨烯材料进一步改性研究,科研人员正在让电容器的储电能力一步一步向电池靠拢,而同时它拥有的超快充电速度,能够为人们的生活带来更多的便利。“我们正在做的改性石墨烯电容器,可以几分钟充满,其能量密度有望在一段时间之后,接近现有锂电池的能量密度。”

这是我们已经做好的改性石墨烯配成的浆料,下一步我们就把这些浆料通过涂布机涂到铝箔上,成为我们石墨烯电容器所用的正极。中国电科18所化学与物理电源技术国防科技重点实验室常务副主任丁飞博士说,电容材料对电容器的性能有着至关重要的影响。通过对石墨烯材料进一步改性研究,科研人员正在让电容器的储电能力一步一步向电池靠拢,而同时它拥有的超快充电速度,能够为人们的生活带来更多的便利。我们正在做的改性石墨烯电容器,可以几分钟充满,其能量密度有望在一段时间之后,接近现有锂电池的能量密度。

能量密度是指在一定空间或质量的物质中储存能量的大小,能量密度越高,就表示这种物质的储电能力越强。据丁飞介绍,目前他们所研制的改性石墨烯电容器的样品,能量密度已达到传统电容器的3倍以上。虽然还处于实验室研究阶段,但是石墨烯材料的强大能力让研发团队看到改性石墨烯电容器应用的广阔前景。

能量密度是指在一定空间或质量的物质中储存能量的大小,能量密度越高,就表示这种物质的储电能力越强。据丁飞介绍,目前他们所研制的改性石墨烯电容器的样品,能量密度已达到传统电容器的3倍以上。虽然还处于实验室研究阶段,但是石墨烯材料的强大能力让研发团队看到改性石墨烯电容器应用的广阔前景。

未来,当充电设施越来越完善时,电动汽车使用石墨烯电池,可能花两三分钟就可以把电充满。

未来,当充电设施越来越完善时,电动汽车使用石墨烯电池,可能花两三分钟就可以把电充满。

中国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室主任高涛认为,即使在实验室条件下,石墨烯的神奇性能依然没有完全释放出来。同时,技术层面还存在着不少挑战,真正大面积应用还有很长的路要走。但通过加强需求和研究的结合,不断在石墨烯材料的制备和器件研制方面取得重要突破,石墨烯这种新一代战略性新兴材料将会极大改变人们的生活。

中国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室主任高涛认为,即使在实验室条件下,石墨烯的神奇性能依然没有完全释放出来。同时,技术层面还存在着不少挑战,真正大面积应用还有很长的路要走。但通过加强需求和研究的结合,不断在石墨烯材料的制备和器件研制方面取得重要突破,石墨烯这种新一代战略性新兴材料将会极大改变人们的生活。