誰能“馴服”石墨烯

付冰冰

2018年12月18日，世界頂級學術期刊《自然》雜志發(fā)布了2018年度十大科學人物榜單，來自中國的麻省理工學院博士曹原憑借兩篇以第一作者署名的石墨烯論文位居該榜榜首。曹原在實驗中發(fā)現(xiàn)，當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的角度時，會產(chǎn)生超導效應。盡管該實驗仍需嚴苛的特定條件，但曹原的研究成果仍令科學界為之振奮。《日本經(jīng)濟新聞》將曹原稱為“石墨烯的駕馭者”，并認為他的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了物理學的全新研究領域，有望提高能源利用效率與傳輸效率。

“十大科學人物的故事集中展示了2018年度最難忘的科學實踐，這些實踐迫使我們思考我們是誰，從哪里來，以及我們要去向何處的難題?！薄蹲匀弧诽馗灏嬷骶幚锲妗っ赡盟固厮够绱吮硎尽?/p>

一條膠帶打開了材料新世界

石墨烯于15年前在英國被發(fā)現(xiàn)，來自英國曼徹斯特大學的兩位教授安德烈·蓋姆和克斯特亞·諾沃消洛夫使用一種特殊膠帶，將三維的石墨薄片一分為二。通過近三十次重復操作，二人得到了僅由一層碳原子構成的二維石墨薄片，當這種薄片的厚度在原子顯微鏡下僅為三百萬分之一毫米時，石墨烯就此成為第一種被人類發(fā)現(xiàn)的二維晶體。

石墨烯的出現(xiàn)在科學界激起了巨大的波瀾?？茖W家經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯擁有高硬度、高柔韌度的特性。它比鉆石更堅硬，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它具有極好的透光性使得它的導電性能被寄予厚望。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

傳統(tǒng)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。在電子和原子的碰撞作用下，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，普通電腦芯片以這種方式浪費了72%—81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

石墨烯對物理學基礎研究有著更深層的特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的物理性質(zhì)。

在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性;加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用于制造汽車、飛機和衛(wèi)星。

石墨烯產(chǎn)業(yè)多領域嶄露頭角

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。

另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應用鋪就了道路。

由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優(yōu)勢也很突出。

美國NASA宇航局開發(fā)的應用于航天領域的石墨烯傳感器，能夠很好地對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。

美國俄亥俄州的一家儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

微型石墨烯超級電容技術突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。當前主要制造微型電容器的方法是平版印刷技術，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應用。以后只需要常見的DVD刻錄機，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上制造100多個微型石墨烯超級電容。

聚焦世界目光的石墨烯

正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進而在工業(yè)、技術和電子相關領域獲得潛在的應用專利。

歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”，設立專項研發(fā)計劃。

英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進入生產(chǎn)線和市場。

韓國研究人員在硅基底上成功合成了晶片級的高質(zhì)量多層石墨烯。該方法基于一種離子注入技術，簡單而且可升級，這一成果使石墨烯離商業(yè)應用更近一步。

美國普渡大學正在研究通過新的、更加簡單的方式制造納米電極材料的工藝。該大學的研究表明，在電池中使用納米材料，將會增加電池的充電容量和充放電速度。

韓國的三星電子也在從事旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽極物質(zhì)的研究。如果該研究能夠取得成功，鋰離子蓄電池的壽命將會提高到2倍以上。

2015年9月2日，據(jù)日本的科學技術振興機構（JST）與日本東北大學的原子分子材料科學高等研究機構（AIMR）發(fā)表，在作為下一代蓄電池而被熱切期待的鋰空氣電池中，通過使用具備三維構造的多孔材質(zhì)石墨烯作為陽極材料，獲得了較高的能量利用效率和100次以上的充放電性能。如果電動車使用這種新型電池，則巡航里程將從目前的200公里左右增加到500公里—600公里左右。

從石墨烯中探索未來世界

中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，且價格低廉。2015年10月，習近平總書記訪英期間，華為與英國曼徹斯特大學共同宣布將在石墨烯領域展開研究。習近平總書記在參觀曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時指出，在當前新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導。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。中英在石墨烯研究領域完全可實現(xiàn)“強強聯(lián)合”。

在科研成果轉化的過程中，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。

2015年03月02日，全球首批3萬部石墨烯手機在重慶發(fā)布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜，核心技術由中國科學院重慶綠色智能技術研究院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發(fā)。

2015年5月，南開大學化學學院周震教授課題組發(fā)現(xiàn)一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。

2015年6月，南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授的聯(lián)合科研團隊通過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動飛行，其獲得的驅(qū)動力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動”飛行成為可能。