石墨烯及其應(yīng)用前景

高榮偉

2004年，英國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中從石墨上剝離出石墨薄片，并重復(fù)操作，最終得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，即石墨烯。

石墨烯是目前世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，厚度僅0.335納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的二十萬(wàn)分之一，硬度卻是同等規(guī)格鋼材的200倍，被材料學(xué)家親切地稱為“黑金”。不僅如此，石墨烯還抗菌，有優(yōu)良的透光性能。石墨烯的這些特性賦予了這種新材料獨(dú)特的地位，受到了眾多科學(xué)家的青睞，剛一面世，就引發(fā)了全球范圍內(nèi)的研究熱潮。

就儲(chǔ)藏量來(lái)看，中國(guó)擁有的石墨烯資源十分豐富。不僅如此，中國(guó)在石墨烯技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位，不僅開(kāi)發(fā)了許多新用途，而且申請(qǐng)了為數(shù)眾多的專(zhuān)利。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前中國(guó)石墨烯專(zhuān)利數(shù)量全球領(lǐng)先。

據(jù)媒體報(bào)道，中國(guó)“90后”學(xué)者曹原近年來(lái)因其在石墨烯領(lǐng)域的科研成果，屢屢登上全球頂尖學(xué)術(shù)期刊。2018年3月，《自然》連刊兩篇論文，報(bào)道石墨烯超導(dǎo)的重大發(fā)現(xiàn)，第一作者就是曹原，他也成為該雜志創(chuàng)刊以來(lái)年齡最小的來(lái)自中國(guó)的第一作者。曹原發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)。曹原的發(fā)現(xiàn)解決了困擾物理界多年的難題，轟動(dòng)了國(guó)際材料學(xué)界，開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的全新領(lǐng)域。

2019年3月，天津大學(xué)封偉教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)不懈努力，通過(guò)含氟自由基切割單壁碳納米管，在世界范圍內(nèi)首次制備出單層石墨烯納米帶。從技術(shù)角度講，這是材料學(xué)界科研人員首次用一步法獲得單層石墨烯納米帶。值得一提的是，這種制備方法的發(fā)現(xiàn)意味著中國(guó)科學(xué)家突破了西方數(shù)十年的技術(shù)封鎖，意義非凡。

目前，世界上第一條規(guī)?；氖┥a(chǎn)線已在中國(guó)誕生。中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不斷取得突破，在世界領(lǐng)跑，產(chǎn)業(yè)格局初具雛形。不過(guò)，目前我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間溝通不暢的問(wèn)題，關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)有待進(jìn)一步突破。

石墨烯作為近年來(lái)備受關(guān)注的新型材料，應(yīng)用前景十分廣闊。利用石墨烯的特性，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)業(yè)、軍工產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域都將迎來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。目前，石墨烯在新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用主要集中在新能源、電子信息、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，各國(guó)競(jìng)相投入研究，以發(fā)揮石墨烯高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能。

隨著石墨烯大尺寸、批量化生產(chǎn)等難題被逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐逐步加快。如今，世界各國(guó)都在積極布局這一有望改變未來(lái)的領(lǐng)域。

據(jù)媒體報(bào)道，美國(guó)、歐盟、韓國(guó)、日本的眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入了大量人力、財(cái)力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。目前，石墨烯的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，石墨烯行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)化突破的前夕。從應(yīng)用前景來(lái)看，石墨烯的潛在應(yīng)用價(jià)值還有待深入開(kāi)發(fā)。