新材料家族里的“高帥富”

劉霞

出門前用5秒鐘給手機充滿電，一次充電就可以用半個月，這聽起來是不是很炫很酷？超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、超級鋰電池、太空電梯等，是不是更讓你驚掉下巴？

其實，這并非科幻小說中的場景，而是可以實現(xiàn)的，“幕后功臣”就是現(xiàn)在聲名煊赫的石墨烯，它被譽為“21世紀的神奇材料”。

石墨烯為“何方神圣”

石墨烯結(jié)構(gòu)一直被認為是理論模型，難以單獨穩(wěn)定存在，直到2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料——石墨烯，證實了它可以單獨存在。

這兩位科學家也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，摘得了2010年諾貝爾物理學獎的桂冠。

石墨烯是單原子層的二維晶體材料，是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料，也是結(jié)構(gòu)最為簡單的碳材料。鉛筆里用的石墨可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此，石墨烯也被視作“單層石墨”。

石墨烯是目前已知的世界上最薄、最強、導熱性最好且擁有強大柔韌性的納米材料：它可以薄到只有一個碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬片石墨烯；它的強度比鋼還要高100倍；它也有優(yōu)異的導電性；還具有在可見光下透明但不透氣等特殊的性質(zhì)。

由于身懷諸多“絕技”，“出世”僅10多年的石墨烯已引無數(shù)科學家競折腰，不愧為新材料家族的“高帥富”。它可用來制造透明觸摸屏、超靈敏的傳感器、電池、發(fā)光二極管（LED）等；還可用來制造防彈衣、航空航天材料；并有可能成為硅的替代品，在半導體領域“大顯身手”。

飛入尋常百姓家

柔性顯示屏

智能手機廠商和可穿戴設備廠商一致認為并堅信，可折疊彎曲的柔性顯示屏技術(shù)，將來會徹底革新手機領域和可穿戴領域。因此，他們都在大力推行柔性顯示屏技術(shù)的研發(fā)工作，石墨烯由于其得天獨厚的柔韌性而成為一種理想的候選材料。

2014年9月，英國劍橋大學石墨中心和英國塑料邏輯公司（Plastic Logic）聯(lián)合研制出了柔性石墨烯顯示屏原型，這是石墨烯首次應用于基于晶體管的柔性電子設備上。這種技術(shù)未來的發(fā)展可能還包括液晶顯示屏（LCD）和有機發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)，提供全彩色功能，并支持所需的高速刷新率。

更合身的可穿戴產(chǎn)品

可穿戴設備作為目前科技產(chǎn)品中最炙手可熱的“寵兒”，受到各路人士的追捧，但目前市面上大多數(shù)可穿戴設備的屏幕依然是平面型的，和我們的身體不能很好地貼合。

石墨烯具有很好的柔韌性、很高的強度，這讓它既適用于手腕上的觸控，也增強了屏幕的抗損能力。柔性電池也讓智能穿戴設備成為更貼身舒適的標配。因此，石墨烯在智能可穿戴設備領域潛力很大。

讓我們打開思維的翅膀想象一下：1年以上的續(xù)航能力、可根據(jù)手腕粗細調(diào)節(jié)弧度的柔性彎曲屏，加上照顧你身體各種機能的健康APP應用，由石墨烯研制的產(chǎn)品將成為你的“貼身管家”，讓你享受更加健康美好的生活。

新能源電池

目前，在市場上，以特斯拉為代表的電動車已成為愛車人士眼中的“香餑餑”，但電池是高性能電動汽車最為昂貴的部分。而且，智能手機、相機、游戲機等也都需要大量的鋰電池。

由于石墨烯極高的比表面積（指單位質(zhì)量物料所具有的總面積），因此化學反應速度和材料利用率更高，而且，石墨烯極佳的導電和導熱性能也有利于鋰離子的擴散傳輸，使鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間快速大量地穿梭運動，借此特性研制出的石墨烯鋰電池，能將幾小時的充電時間縮短為幾分鐘。

據(jù)西班牙《世界報》2014年報道，西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍。用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000千米，而其充電時間不到8分鐘。而且，這種電池的使用壽命是傳統(tǒng)氫化電池的4倍、鋰電池的2倍。另外，因石墨烯天生輕盈，此電池的重量僅為傳統(tǒng)電池的一半，使裝載該電池的汽車更加輕量化，進而提高了汽車的燃油效率。

雖然這款電池優(yōu)點多多，但并不“傲嬌”，Graphenano公司相關負責人稱，此電池的成本將比傳統(tǒng)鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內(nèi)。

另外韓國財經(jīng)雜志《Business Korea》網(wǎng)絡版刊文稱，三星研究團隊開發(fā)了一項技術(shù)，通過在硅表面覆蓋石墨烯制作出了一種新的“硅陰極材料”，制作出的新型電池能提供1.8倍于現(xiàn)今鋰電池的能量密度，而且200次充放電之后，還能維持1.5倍的能量密度，同時保持了其尺寸、體積和安全性。這款電池不僅可用于智能手機和平板電腦，還能使電動汽車一次充電行駛更遠的距離。

有鑒于此，很多人認為，石墨烯會是拯救鋰電池的“法寶”。但石墨烯電池的研發(fā)成本較高，目前很難普及。如果在不久的將來，這類新產(chǎn)品能實現(xiàn)量產(chǎn)，那么，電池的發(fā)展將翻開新的篇章。

半導體材料

由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)半導體和導體會以熱的形式消耗大量能量，導致目前電腦芯片以此方式浪費了約80%的電能，使硅芯片的速度很難繼續(xù)提高。另外，硅的極限是7納米，現(xiàn)已接近臨界點。而石墨烯的電子能量幾乎不損耗，且電阻率極低，電子遷移速度比硅材料快10倍，因此或可被用來研制更纖薄、速度更快的新一代電子元件或晶體管，具有顛覆硅時代的潛力，承載著未來變革產(chǎn)業(yè)的希望。

比如在芯片領域，早在2011年6月，IBM沃森研究中心的科學家表示，他們成功研制出了全球首款由石墨烯圓片制成的集成電路，向開發(fā)石墨烯計算機芯片前進了一大步，這一成果也被評為了2011年全球十大科學新聞之一?？茖W家們認為，這項突破可能預示著，未來可用石墨烯圓片代替硅晶片。而且，這塊集成電路還可以運行得更快，屆時，由這類集成電路制成的芯片可以改進手機和無線電收發(fā)兩用機的信號，未來，手機或許能在一般認為無法接收信號的地方工作。

2014年10月，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能大幅降低藍光LED成本，這種技術(shù)有望催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“后硅時代”組件。

2014年12月，IBM宣布研發(fā)出號稱全世界速度最快的石墨烯場效晶體管（FET），可在26GHz頻率下運作。研究人員預測，碳元素更高的電子遷移率，可望使該種材料超越硅的極限，達到100GHz以上的速度跨入兆赫領域。

鑒于石墨烯在半導體領域的巨大潛能，IBM公司計劃在未來5年內(nèi)投入30億美元研究下一代芯片技術(shù)。他們希望能借此研發(fā)出速度更快的芯片，實現(xiàn)更快的計算能力，推動人工智能和更強大的認知計算的發(fā)展，使計算機系統(tǒng)最終實現(xiàn)類似人腦的效率、尺寸和能耗。

知識鏈接

微處理器

一顆微處理器就是由采用不同材料制成的許多“層”堆疊起來的電路，里面包含了晶體管、電阻器、以及電容器等微小元件。它是一種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件。微處理器是微型計算機的中央處理器，其本身并不等于微型計算機。

晶體管

一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基于輸入電壓控制輸出電流，它利用電訊號來控制自身的開合，開關速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

兩只“攔路虎”

盡管石墨烯優(yōu)點多多、潛能大，但在其叱咤風云的道路上，仍有一些“攔路虎”需要解決。首先，工業(yè)生產(chǎn)中沒有成熟的技術(shù)可用于大規(guī)模生產(chǎn)具有特殊性能的石墨烯；其次，用于硅基處理的傳統(tǒng)固態(tài)技術(shù)不適用于高分子材料石墨烯的加工。

但科學家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的勇士，在這群“武松”面前，一切真老虎也都變成了“紙老虎”。

據(jù)媒體報道，2014年4月，三星宣布，三星先進技術(shù)研究所（SAIT）與韓國成均館大學合作開發(fā)出一種新合成方法，可大面積制備應用于半導體的晶圓級單晶石墨烯。而且，用該方法制備的石墨烯單晶具有優(yōu)異的電性能和機械性能。該研究所負責人說：“我們預計這一發(fā)現(xiàn)將加速石墨烯的商業(yè)化，并可能開創(chuàng)消費電子技術(shù)的新時代?！?/p>

另外，西班牙AIMEN技術(shù)研究中心的研究人員于2015年8月10日在《應用物理快報》上發(fā)表論文，介紹了使用超高速激光加工石墨烯材料的新技術(shù)。在這項研究中，科學家們通過短激光脈沖，誘導石墨烯的化學晶格發(fā)生了變化。單個激光脈沖的持續(xù)時間僅有幾秒，石墨烯中的極性分子會像水波那樣產(chǎn)生一個持續(xù)的振蕩。在振蕩過程中，可通過切割石墨烯晶體，把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。如此一來，大量的石墨烯可在高速度、高精度條件下被裁減，為石墨烯的廣泛應用開辟了新的途徑。

俗話說，皇帝的女兒不愁嫁，高帥富當然也不乏大把人追。中、美、歐盟等主要國家和地區(qū)均高度重視石墨烯的研究和開發(fā)，期待它能帶來巨大的市場價值和技術(shù)變革。

21世紀的神奇材料“石墨烯”，承載了人們對未來生活的諸多美好想象。未來10年這些想象可能就會變成現(xiàn)實，讓我們拭目以待吧！