石墨烯：神奇的“新材料之王”

佘惠

有沒有這樣一款堅(jiān)韌的薄膜，它能以一支鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會(huì)被戳破？石墨烯可以做到。這種神奇的材料究竟是如何“煉成”的——筆者近日走進(jìn)“首都科學(xué)講堂”，為您一探究竟。

近日，在北京市科協(xié)主辦、九三學(xué)社北京市委特別支持的第667期“首都科學(xué)講堂”上，中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范與北京石墨烯研究院副院長(zhǎng)、石墨烯器件技術(shù)研究部部長(zhǎng)魏迪，向公眾介紹了石墨烯——這款曾獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)的明星材料。

1、透明膠帶撕出來的諾貝爾獎(jiǎng)

石墨烯原本就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯——它是由一層碳原子以六角形蜂巢結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積構(gòu)成的二維碳材料。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨，但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因?yàn)?，早?0多年前的理論研究表明，完美的二維結(jié)構(gòu)晶體無法在非絕對(duì)零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。

2004年，兩位英國(guó)科學(xué)家用一種非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法突破了原有理論認(rèn)知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷這樣操作，薄片越來越薄，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片——這就是石墨烯。理論上雖不可能成功，實(shí)驗(yàn)中卻偏偏被制備出來了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學(xué)界，兩位發(fā)現(xiàn)者共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“大家經(jīng)常講，石墨烯這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)是用透明膠帶撕出來的。實(shí)際上，我們不能小瞧這么一個(gè)簡(jiǎn)單但重要的發(fā)現(xiàn)?！眲⒅曳墩f，對(duì)于科學(xué)研究來說，像這兩位科學(xué)家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。

石墨烯具有很多神奇性能，因此號(hào)稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因?yàn)樗鼉H有一個(gè)原子層;它是強(qiáng)度最大的材料，理論上強(qiáng)度比鋼強(qiáng)韌200倍;它是導(dǎo)電性最好的材料，電導(dǎo)率是銀的1.6倍;它是導(dǎo)熱性最好的材料，熱導(dǎo)率是銅的13倍。

劉忠范介紹，石墨烯是強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，可以彎曲，又具備超強(qiáng)導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性，這讓它的應(yīng)用前景十分廣闊——它可以做觸摸屏，因?yàn)樗峭该鲗?dǎo)電薄膜;也可以用作超快集成電路，因?yàn)樗锩娴碾娮优艿梅浅？?，室溫下電子遷移率超過硅材料10倍;它是輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景;它的電磁屏蔽性質(zhì)，也可以被利用制作隱形飛機(jī)、隱身材料……

它，還可能產(chǎn)生一些類似于科幻電影場(chǎng)景的酷炫應(yīng)用。

“石墨烯的酷炫應(yīng)用是基于其酷炫材料性能。它有超高載流子遷移率，能讓電子跑得非常快。如果說，常用導(dǎo)電材料是高速路上行駛的汽車，石墨烯就是一輛超跑。”魏迪說，這個(gè)性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。

人體能發(fā)射遠(yuǎn)紅外光，由于石墨烯具有超高載流子遷移率，遠(yuǎn)紅外光投射到它表面后產(chǎn)生的電子可以被迅速采集。這樣一來，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡就可以看到夜里的一切，還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數(shù)據(jù)。

2、石墨烯產(chǎn)業(yè)哪家強(qiáng)

不過，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)仍骨感?，F(xiàn)在你能在市場(chǎng)上買到的石墨烯，很可能都只是石墨。

2018年，《先進(jìn)材料》上曾發(fā)表一篇論文，作者之一是石墨烯諾貝爾獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。在此，研究者們分析了來自美洲、亞洲與歐洲60家公司的粉體石墨烯樣品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司樣品中石墨烯含量低于10%，且沒有一個(gè)樣品石墨烯含量超過50%。

石墨烯一般分成兩類，一類是粉體石墨烯，一類是薄膜石墨烯。這兩類石墨烯制備方法完全不同，應(yīng)用領(lǐng)域與場(chǎng)景也完全不同。

在規(guī)?；I(yè)制備中，石墨烯粉體一般采用化學(xué)反應(yīng)剝離石墨層的辦法獲取。然而，這類氧化還原方法常帶來大量廢酸、廢水。比如，用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生產(chǎn)1公斤石墨烯需要耗費(fèi)50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀與1噸水。

具體到薄膜石墨烯的規(guī)模化制備方法，最有代表性的是化學(xué)氣相沉積技術(shù)，即在高溫爐子里通過高溫化學(xué)反應(yīng)來一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面，在1000攝氏度下通上甲烷，就可以生成一個(gè)單原子層石墨烯。

目前，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)狀況如何？數(shù)據(jù)顯示，截至今年6月底，我國(guó)在工商部門注冊(cè)、營(yíng)業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已達(dá)到1.68萬家。全國(guó)已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個(gè)，石墨烯研究院54家，石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個(gè)，石墨烯聯(lián)盟12個(gè)。

從石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量來看，2011年起，我國(guó)就在全球領(lǐng)先，目前占比超過全球的三分之一。石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量在我國(guó)也是最多的，約占全球七成。我國(guó)粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大，已達(dá)每年5000多噸。在薄膜石墨烯制備方面，我國(guó)也于全球領(lǐng)先，年產(chǎn)能達(dá)650萬平方米左右?！暗⒁獾氖?，與歐洲、美國(guó)、日本及韓國(guó)相比，中國(guó)石墨烯行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)根本不在一個(gè)頻道上。國(guó)外更多關(guān)注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來型技術(shù)研發(fā)，而中國(guó)非常重視近期實(shí)用性產(chǎn)品開發(fā)?！眲⒅曳墩f，我們對(duì)未來核心技術(shù)的關(guān)注相對(duì)少一點(diǎn)，但從總體上看，中國(guó)石墨烯基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化力量在全球仍處于第一方隊(duì)。

3、“殺手锏”級(jí)應(yīng)用會(huì)是啥

目前，石墨烯已被嘗試在哪些方面應(yīng)用？

劉忠范介紹，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)有“三大件”，一是新能源，將石墨烯用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑，使電池充電速度更快、電容量提升;二是添加進(jìn)防腐涂料中，節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅含量，并提升防腐性能;三是大健康領(lǐng)域，比如利用其導(dǎo)熱性能制作眼罩、護(hù)膝等理療產(chǎn)品——三者合計(jì)，約占我國(guó)石墨烯產(chǎn)能九成。那么，國(guó)際上在用石墨烯做什么產(chǎn)品？在2019年世界移動(dòng)通信大會(huì)上，設(shè)有石墨烯專門展廳，展示了石墨烯在數(shù)據(jù)通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

石墨烯幾乎無所不能，但目前石墨烯材料應(yīng)用面廣而不專精。那么，未來什么才是石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級(jí)應(yīng)用呢？劉忠范說：“‘殺手锏級(jí)用途意味著離開它不行。目前，我們?nèi)晕凑业绞畾⑹诛导?jí)用途。”未來可能從兩個(gè)方向入手，一類是邏輯推理式的用途，另一類是出其不意的用途。

邏輯推理式用途，是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如，現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性非常好，又是透明柔性的，且僅含便宜的碳原子。未來，石墨烯薄膜用作透明導(dǎo)電薄膜來制作可穿戴柔性電子器件將大有前途，或許能成為“殺手锏”級(jí)用途。

非邏輯性的出其不意用途，則需要研究者創(chuàng)意思考?！氨热纾覀儼咽╅L(zhǎng)到藍(lán)寶石上，與LED結(jié)合起來，做成LED照明器件——其他工藝不變，就可以將發(fā)光效率提升30%以上。”劉忠范說，一旦產(chǎn)業(yè)化，這就是下一代LED節(jié)能照明器件，會(huì)全面淘汰現(xiàn)有照明器件，也屬于“殺手锏”級(jí)應(yīng)用。

“‘殺手锏級(jí)應(yīng)用就是其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，來開展‘殺手锏級(jí)應(yīng)用的探索?！蔽旱媳硎?，從器件角度來講，可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能，將它與硅基半導(dǎo)體融合使用，制作出有優(yōu)越性能的光電子探測(cè)器件、夜視遠(yuǎn)紅外探測(cè)器件、邏輯電路器件等。