石墨烯：神奇的“新材料之王”

文/任瑋 蘇萬明

手機充電僅需幾秒?手機屏幕能折疊彎曲?……這些或許都將因為有“21 世紀神奇材料”之稱的石墨烯面世而成為可能。

當今，全球經濟增長乏力，各國都在謀求新一輪的科技和產業(yè)升級突破。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一，我國科學家和產業(yè)人士正將目光聚焦在它身上。

石墨烯到底有多神奇?會否給生產生活領域帶來“顛覆性”變化?今天，讓我們走近石墨烯一探究竟。

石墨烯：神奇的“新材料之王”

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一、2010 年諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆這樣描述：“石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇”。

這種神奇物質，到底是什么?

石墨烯，實際就是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。鉛筆芯用的石墨就相當于無數(shù)層石墨烯疊在一起。

“它是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，可以被無限拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，還可以抵抗很高的壓力?！比涨皯麃砣A參會的安德烈·海姆說，石墨烯還有著非同尋常的導熱性和導電性。

“石墨烯導電率高，化學結構又十分穩(wěn)定，是一種用于移動電池、電源很理想的電極材料?！敝袊茖W院院士、中國科學院金屬研究所研究員成會明表示，石墨烯可以和電子元件、電子設備進一步相結合使用，以此增強其它儲電設備的儲電率。

石墨烯另一個奇特之處在于“零滲透”——所有氣體、液體都無法滲透。這也使得石墨烯產品有了“針插不進、水潑不進”的本事。

“給船體涂上石墨烯涂層，海水中重金屬離子等就無法穿透這層薄膜去腐蝕船體?！鼻鄭u賽瑞達電子裝備股份有限公司董事長宋立祿說。

讓人感到驚奇的還遠不止這些。石墨烯具有超強吸附性，科學家正在研究用它做過濾裝置，用于海水淡化、污水處理等領域;它又幾乎是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產品原料。

石墨烯正從實驗室走近人們生活

“新材料未來需求巨大。比如納米型新材料石墨烯的應用，在危險化學品類火災中不能用水去滅，但如果用石墨烯薄膜打過去就可以了。而使用石墨烯材料，手機未來可能薄到跟酒店房卡差不多?！鼻迦A大學經濟管理學院教授魏杰在解讀“十三五”規(guī)劃建議提到新材料產業(yè)時說。

日前在青島舉辦的2015 中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，石墨烯理療、保暖產品、LED 用高導熱石墨烯復合材料、石墨烯防彈材料、石墨烯電熱服裝等20 余種石墨烯產品已經全新推出。

“利用石墨烯特性，研發(fā)新型防彈衣，防彈插板只需17 毫米就能達到甚至超過傳統(tǒng)產品的防彈效果，重量還可減輕20%?！鼻鄭u華高墨烯科技有限公司董事長施建新說，目前這款防彈衣已與3 家使用單位簽約。

一直以來，智能手機的續(xù)航能力始終是最大短板。宋立祿表示，他們研發(fā)的石墨烯新型鋰電子電池，充電時間大大縮短，手機幾分鐘就能完成充電。

不久前，華為宣布與英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院合作，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用于消費電子產品和移動通信設備?？梢灶A想，手機將繼功能機向智能機變革之后，再發(fā)生新“革命”——石墨烯的特性未來將使顯示屏超薄、超輕，實現(xiàn)可卷曲的柔性顯示。

目前，被業(yè)界譽為“東方碳谷”之稱的江蘇常州，已擁有石墨烯產業(yè)技術研發(fā)和企業(yè)孵化的服務平臺;中科院重慶綠色智能技術研究院也成功制備出15 英寸單層石墨烯手機顯示屏;高鐵內飾材料中已開始使用石墨烯……石墨烯技術正在悄然影響著生產生活等領域。

石墨烯時代真正到來還需時日

工業(yè)與信息化部原材料工業(yè)司司長周長益說，“近年來結構材料、石墨烯等前沿新材料均實現(xiàn)了快速增長。這些材料目前總量較小，但其發(fā)展加快了原材料工業(yè)關鍵材料轉型升級的步伐。”

據統(tǒng)計，我國石墨礦儲量占到世界總儲量的75%，生產量約占世界總產量70%，具備發(fā)展石墨烯產業(yè)的資源基礎。截至目前，我國石墨烯企業(yè)已超過百家，并在常州、無錫、青島、深圳等地形成產業(yè)集群。

不過，也有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，要真正走向市場，過程“前景光明，道路曲折”。

首要困難是受限于材料生產。中科院院士、北京大學教授劉忠范說，要實現(xiàn)石墨烯商業(yè)化，需要生產出低成本、高品質的石墨烯成品。“但制出這種石墨烯并非易事。技術層面上還有很多挑戰(zhàn)，批量化或大尺寸生產都還沒能克服?！?/p>

中國科學院山西煤炭化學研究所副研究員、石墨烯課題組長陳成猛指出，我國石墨烯產業(yè)發(fā)展目前還存在生產成本高、產品品質待提升、上下游互動不夠等問題。

筆者發(fā)現(xiàn)，盡管目前國內石墨烯市場火熱但魚龍混雜，有的企業(yè)甚至直接將石墨當作石墨烯來宣傳、銷售。

“目前石墨烯行業(yè)缺乏國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準。對石墨烯的質量、制備工藝、檢測設備和方法等，都沒有科學統(tǒng)一的說法?！笔┙ㄐ抡f。

專家認為，石墨烯產業(yè)必須要避免當年納米技術那樣一哄而上的局面，需要整個資源進行創(chuàng)新布局，形成聚合效應。