石墨烯：異軍突起的新材料

王瑞良

石墨烯（Graphene），也許你現(xiàn)在還對它相當(dāng)陌生，但過不了多久，它就會像虛擬現(xiàn)實、基因編輯、人工智能一樣，成為人們耳熟能詳、津津樂道的熱門科技話題。

作為目前人類發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被材料科學(xué)家親切地稱為“黑金”。那么它究竟會給我們的生活帶來怎樣的變化呢？

石墨烯是什么？

石墨烯的命名來自英語Graphite（石墨）和-ene（烯類結(jié)尾）的結(jié)合，天然石墨由一層層按蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而成。

石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。如果我們把石墨片剝離到只有一個碳原子厚度的單層，那它就成為了石墨烯。如果要對它下一個科學(xué)定義，那就是：

一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，一種只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料。它是目前世界上已知的最薄、最硬的材料，其厚度只有0.335納米，就算把20萬片石墨烯薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。

石墨烯是怎樣被發(fā)現(xiàn)的？

曾經(jīng)，石墨烯一度被人們認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)，根本無法單獨穩(wěn)定存在。直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德利·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，在實驗中用“微機械剝離法”分離制備出石墨烯，才證實了它可以單獨存在。

雖然這次發(fā)現(xiàn)意義非凡，但其采用的方法卻很簡單——利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨，把有粘性的一面對折，再把膠帶撕開，石墨薄片就會被一分為二。不斷重復(fù)這個過程，石墨片就會越來越薄，最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯。

此后，經(jīng)過近5年的發(fā)展，科研人員發(fā)現(xiàn)了更多制備石墨烯的方法，預(yù)示著這種新材料距離進入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域已為時不遠(yuǎn)。而海姆和諾沃肖洛夫也因為以開創(chuàng)性的試驗方法制備出石墨烯這種新材料，獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

諾沃肖洛夫在接受諾貝爾獎基金會采訪時，談到制備石墨烯的想法，主要來自于兩人在每周五晚上的一個小習(xí)慣——他們會在這段時間嘗試以各種“粗暴”的、簡單的實驗方法解決復(fù)雜的科學(xué)問題，用“膠帶撕開石墨”這個異想天開的想法由此誕生。

石墨烯有什么特性？

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大波瀾，引發(fā)了人們的研究熱潮。經(jīng)過十多年的研發(fā)，人們逐漸認(rèn)識到石墨烯所具備的獨特價值。

首先，電子在石墨烯中的運動速度極快，達到光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在一般導(dǎo)體中的運動速度，與相對論中所謂的中微子非常相似。同時，石墨烯的電阻率只有10^-6歐姆·厘米，遠(yuǎn)低于銅或銀，是世界上電阻率最小、導(dǎo)電性最佳的物質(zhì)。

其次，石墨烯比鉆石還堅硬，強度是鋼的100倍，是目前已知強度最高的物質(zhì)。如果用石墨烯制成厚度約100納米的薄膜，那么它將能承受大約兩噸重物體的壓力。

此外，石墨烯的透光性、導(dǎo)熱性、柔韌性也非常好——透光率達到97.4%，幾乎是完全透明的；導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/（m·k），是銅的10倍，鋁的25倍；柔韌性優(yōu)于常用的觸摸屏材料氧化銦錫，不易損毀，可與單碳納米管媲美。

石墨烯還具有高傳導(dǎo)性、高比表面積，3克石墨烯的比表面積相當(dāng)于一個足球場，將其用于電極材料上，特殊的中孔結(jié)構(gòu)可使電解液離子快速移動至石墨烯表面，利用比面積儲存電荷，可在新能源領(lǐng)域如超級電容器、鋰離子電池等方面發(fā)揮重要作用。

當(dāng)然，科學(xué)家對于石墨烯的研究還遠(yuǎn)未止步，人們還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了石墨烯的一系列超常特性。在材料科學(xué)界流傳著這樣一個說法：如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，那么石墨烯則開創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元。

石墨烯有什么用途？

由于具有種種優(yōu)異特性，目前石墨烯已經(jīng)被研發(fā)人員廣泛應(yīng)用于電子科技、網(wǎng)絡(luò)通訊、潔凈能源、生物醫(yī)學(xué)、航天軍工、復(fù)合材料以及智能家居等諸多領(lǐng)域。

在電子科技領(lǐng)域，石墨烯由于導(dǎo)電性能極佳，非常適用于高頻電路。目前的電子設(shè)備往往需要攜帶巨量的信息，因此必須使用更高的工作頻率，然而工作頻率越高，熱量功率也就越高，高頻的提升便受到限制。不過石墨烯的出現(xiàn)，可以代替硅成為芯片的基礎(chǔ)材料，用以制造超微型晶體管和集成電路，這種電路將會更小、更快、更便宜，用它生產(chǎn)的電腦，不僅運算速率超高，而且體積也能大幅縮小——最小的機器人能做到像螞蟻一樣大小。而由石墨烯制造的超薄光學(xué)調(diào)制器（只有頭發(fā)厚度的1/400）也將具備高速信號的傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，要在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影對它毫無壓力。

石墨烯幾乎完全透明的特性，則適用于制造電子產(chǎn)品的觸摸屏，代替目前使用的昂貴、易碎、不穩(wěn)定的氧化銦錫。利用石墨烯的柔韌性，可制作能拉伸、折疊的顯示器。也許過不了多久，我們就能用上速度更快、容量更大、可折疊的電子設(shè)備了。

石墨烯的功率密度要比鋰離子電池高許多，約為傳統(tǒng)電容器的30倍，創(chuàng)造了儲能技術(shù)新的可能，有望在新能源開發(fā)領(lǐng)域大顯身手，應(yīng)用于電動汽車、電動工具以及太陽能電池等方面。據(jù)估算，石墨烯陽極材料比鋰離子電池中常用的石墨陽極充放電速度快10倍，如果用于電動汽車，只需8分鐘就能完成一次充電，續(xù)航里程可達1000千米。如果在發(fā)電站的冷凝器上涂上石墨烯，節(jié)能效率可提高2%～3%。用石墨烯制造的光電化學(xué)電池，則可取代基于金屬的發(fā)光二極管和傳統(tǒng)燈具的金屬石墨電極，使之更易于回收，利于環(huán)保。

醫(yī)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的二維結(jié)構(gòu)會與大腸桿菌上的磷脂分子產(chǎn)生交互作用，在拉扯下使大腸桿菌破裂，無法生存，而人類的細(xì)胞卻能正常生長。這種物理性殺菌的方式，遠(yuǎn)優(yōu)于目前普遍采用的化學(xué)性療法，因此石墨烯材料可廣泛用于制作止血繃帶、抗菌服裝，以及食品、藥品等的包裝材料。

在物理學(xué)領(lǐng)域，石墨烯還有望幫助科學(xué)家在量子物理學(xué)研究方面取得新的突破。在一種格芬石墨烯礦物涂料中添加納米纖維后，會在涂料中形成納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使其附著力更加牢固，更耐腐蝕，不易龜裂。石墨烯由于是優(yōu)良熱導(dǎo)體，能散射99%的紅外線和85%的紫外線，因此可以制成節(jié)能降耗、保溫隔熱的功能材料，用于保溫服、取暖器、散熱地板等。同時，通過雙層石墨烯之間生成的強電子結(jié)合，還可制造出能有效控制環(huán)境噪音的隔音材料。

最新研究還發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生兆赫范圍的輻射——將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時間就能放射出兆赫的光源，進而開發(fā)出能在溫室條件下工作的高性能兆赫激光器和調(diào)制器。這有助于高溫超導(dǎo)體的研究。美國加州大學(xué)的物理學(xué)家，最近用石墨烯制成了超聲揚聲器和麥克風(fēng)，它們能夠?qū)喴羲伲?0赫茲以下）和超音速（2萬赫茲以下）之間的頻率作出反應(yīng)。如此一來，今后諸如手機之類的通訊設(shè)備，將不僅能使用電磁波，還可使用聲波和超聲波。

此外，利用石墨烯的超輕、超強、超堅韌等特性，人們還有望研發(fā)出制造輕型飛機和航天器的新材料、高性能的防彈衣，甚至借此打造一座3.7萬千米長、可直通宇宙的“太空電梯”，讓人類“一步登天”的夢想成為現(xiàn)實。

進展與困境

從科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯至今，經(jīng)過十多年的研發(fā)，已取得了不少可喜的成績和進展。早在2008年7月，美國國防部高級計劃署（DARPA）就發(fā)布了碳電子射頻應(yīng)用項目，總投資2200萬美元，用于開發(fā)超高速和低耗能的石墨烯電晶體。2015年，美國加州理工學(xué)院又開發(fā)出一種在室溫下（常規(guī)溫度需1000℃）快速制備石墨烯的全新技術(shù)，將原來需要10個步驟、10小時的制備過程縮減為1個步驟、5分鐘，從而使石墨烯材料向商業(yè)化邁出了堅實一步。

歐盟于2013年啟動了石墨烯旗艦計劃，這是一個投資10億歐元執(zhí)行長達10年的大型計劃。諾基亞將從歐盟未來與新興技術(shù)組織處（FET）獲得13.5億美元研究經(jīng)費，用于開發(fā)石墨烯材料。英國將投資6100萬英鎊建設(shè)石墨烯研究所（NGI），并在石墨烯誕生地曼徹斯特大學(xué)成立國家級研究院和工程創(chuàng)新中心，大力推動石墨烯的商業(yè)化進程。韓國政府整合了40余家科研機構(gòu)和6家企業(yè)，打造了石墨烯聯(lián)盟，在手機觸屏、智能顯示、揚聲器、晶體管等石墨烯實際應(yīng)用方面走在了世界前列，其中三星公司借助石墨烯材料打造的可折疊式智能手機已在2016年上市。

2014年5月，全球首款石墨烯電容觸摸屏手機在我國江蘇省研制成功，當(dāng)諾獎得主諾沃肖洛夫獲贈首部樣機時，連聲稱贊這是“史上最快的諾獎成果轉(zhuǎn)化”。目前，中國上海、沈陽、廈門、青島、泰州等地的科研生產(chǎn)企業(yè)，在石墨烯的粉體、液態(tài)、薄膜以及動力電池、超級電容器和涂料等產(chǎn)品的研發(fā)方面，都取得了不同程度的進展。

盡管如此，石墨烯的許多相關(guān)產(chǎn)品仍處在研發(fā)和概念階段，目前我們對于石墨烯材料的應(yīng)用還遠(yuǎn)未成熟，距離大規(guī)模制造和商業(yè)化應(yīng)用還有較大距離。這種差距，從技術(shù)層面說，主要是石墨烯的合成方法還不夠簡便，所制備的產(chǎn)品難以滿足要求。石墨烯的合成主要有機械方法和化學(xué)方法兩類：前者包括微機械分離法（即海姆和諾沃肖洛夫的撕膠帶法）、取向附生法（于金屬釕上生成）和加熱氧化法（透過加熱氧化一層層分離石墨片）；后者包括化學(xué)還原法（利用肼將氧化石墨烯紙還原成單層石墨烯）和化學(xué)解離法。運用微機械分離法，雖可制備出單層或多層的石墨烯，但尺寸和厚度不易掌控，難以可靠地制備出大面積且具有單一厚度的薄片樣本。其次，從化學(xué)角度看，石墨烯存在許多潛在的應(yīng)用價值，然而由于缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品，其在化學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)、應(yīng)用還存在許多困難，短期內(nèi)恐怕難有重大突破。

英國曼徹斯特大學(xué)副校長科林·拜利曾說：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片?！庇纱丝梢?，這個“新材料之王”極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

今天的石墨烯雖然還只是一種新興材料，人們也還無法充分發(fā)揮它的特性，徹底釋放它的潛能，但隨著科學(xué)家對它的研究日漸深入，相信在不久的未來，它極有可能成為基礎(chǔ)性材料，帶動價值數(shù)萬億美元的高科技產(chǎn)業(yè)鏈，改變21世紀(jì)。