有沒有這樣一款堅韌的薄膜，它能以一支鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會被戳破？

石墨烯可以做到。

近日，在北京市科協主辦的“首都科學講堂”上，中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠範和北京石墨烯研究院副院長、石墨烯器件技術研究部部長魏迪這兩位專家，向公衆介紹了石墨烯這款曾獲得2010年諾獎的明星材料。

透明膠帶撕出來的諾獎

石墨烯本來就存在于自然界，隻是難以剝離出單層結構。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，留下的痕迹可能就是幾層石墨烯。

石墨烯是由一層以六角形蜂巢結構周期性緊密堆積的碳原子構成的二維碳材料。人們很早就發現了石墨，但直到2004年才發現石墨烯。這是因為，早在70多年前，理論研究就表明，完美的二維結構晶體無法在非絕對零度的環境中穩定存在。

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡單的實驗方法突破了科學家們的理論認知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後将薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，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，最後得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

理論上不可能，實驗中卻偏偏被制備出來了！這個發現立即震撼了科學界。僅僅6年後，兩位發現者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

“大家經常講，石墨烯這個諾貝爾獎是用透明膠帶撕出來的。實際上我們不能小瞧這麼一個簡單但是重要的發現。”劉忠範院士說，對于科學研究來說，像這兩位科學家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。

石墨烯有很多神奇的性能，因此号稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因為它隻有一個原子層；它是強度最大的材料，理論上它的強度比鋼強韌200倍；它是導電性最好的材料，電導率是銀的1.6倍；它是導熱性最好的材料，熱導率是銅的13倍。

劉忠範介紹，石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，又具備超強的導熱性和導電性，這讓它的應用前景十分廣闊。

它可以做觸摸屏，因為它是透明導電薄膜；也可能用做超快集成電路，因為石墨烯裡的電子跑的非常快，在室溫下的電子遷移率超過了矽材料的10倍；它是輕質高強材料，在航空航天領域有非常重要的應用前景；它的電磁屏蔽性質，也可以利用來做隐型飛機、隐身材料……

它可能産生一些類似于科幻電影場景的酷炫應用。

“石墨烯的酷炫應用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的載流子遷移率，能讓電子跑得非常快。如果說常用的導電材料是高速路上行駛的汽車，那石墨烯就是一輛超跑。”魏迪說，這個性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。

人體能發射遠紅外光，由于石墨烯超高的載流子遷移率，遠紅外光投射到它上面後産生的電子可以被迅速地采集。這樣，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡，就可以看到夜裡的一切東西，還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數據。同時，由于石墨烯具備其透光性，它還能作為顯示屏投射各種信息，當你去一個陌生地方，它可以即時顯示路況、附近酒店、景點、餐館等服務信息。

石墨烯産業哪家強？

不過，理想很豐滿，現實還比較骨感。現在你能在市場買到的石墨烯，很可能大部分都隻是石墨。

2018年，《先進材料》上曾發表一篇文章，作者之一就是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中，研究者們分析了來自美洲、亞洲和歐洲的60家公司的粉體石墨烯樣品，發現大多數公司的樣品中石墨烯含量低于10％，而且沒有一家樣品中石墨烯的含量超過50％。

單層石墨烯是實驗室産物，可工業化大量制備的石墨烯一般有幾層呢？

“從應用的角度講，一般大家的共識是十層以下可稱為石墨烯，盡管嚴格意義上講，隻有單層石墨片才是真正的石墨烯，而十層以上就是普通的、傳統的粉體石墨。”劉忠範說。

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。這兩類石墨烯的制備方法完全不同，應用的領域和場景也完全不同。

在規模化的工業制備中，石墨烯粉體一般是用化學反應剝離石墨層的辦法去做。但這類氧化還原方法常常會帶來大量的廢酸、廢水。比如用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生産1公斤石墨烯需要耗費50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀和1噸水。

薄膜石墨烯的規模化制備方法，最有代表性的是化學氣相沉積技術，即在高溫爐子裡，通過高溫化學反應來一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面，在1000攝氏度通上甲烷，就可以生成一個單原子層的石墨烯。

我國石墨烯産業的現狀如何，在世界上處于什麼位置？

截止2020年6月底，我國在工商部門注冊的、營業範圍包括石墨烯相關業務的企業已經達到了16800家。全國已成立石墨烯産業園29個，石墨烯研究院54家，石墨烯産業創新中心8個，石墨烯聯盟12個，分布在21個省市。

石墨烯領域發表的文章數量，我國從2011年開始就在全球領先，現在占比超過全球的1／3。石墨烯領域專利申請數量我國也是全球最多，大約占全球的7成。我國粉體石墨烯制備産能很大，已達到每年5000多噸。我國在薄膜石墨烯的制備方面也全球領先，年産能已達到650萬平米左右。

“從産業規模、知識産權擁有量、文章發表數量上，我們是全球領先的。但要注意的是，與歐洲、美國、日本和韓國相比，中國石墨烯行業的關注點根本不在一個頻道上。國外更多關注真正體現石墨烯新材料特性的未來型技術研發，而中國則非常重視近期的實用性産品的開發。”劉忠範說，雖然我們對未來核心技術的關注相對少一點，但從總體上看，中國的石墨烯基礎研究和産業化力量在全球還是處于第一方隊。

魏迪認為，中國石墨烯産業目前很多是在低附加值的添加塗料或加熱領域，未來應更多地往光電子器件、傳感器件等高附加值産業布局。

“殺手锏”級應用會是啥

石墨烯目前已經被嘗試在哪些方面應用？

劉忠範介紹，中國石墨烯産業有“三大件”，一是新能源，将石墨烯用作锂離子電池的導電添加劑，使電池充電速度更快、電容量也有提升；二是添加進防腐塗料，節省防腐塗料中較貴的鋅的含量，同時提升防腐性能；三是大健康領域，比如利用其導熱性能制作眼罩、護膝等理療産品。三者合計，約占90％。

國内也有石墨烯高端産品，比如采用了石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜的石墨烯手機等。

國際上在用石墨烯做什麼産品？

2019年的世界移動通信大會上有石墨烯的專門展廳，石墨烯被用于數據通信、傳感器、物聯網、可穿戴設備、新能源等領域。比如用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測有害氣體，用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時探測可見光和紅外光。

石墨烯幾乎無所不能，但目前石墨烯材料應用面廣而不專精。那麼，未來什麼才可能成為石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級應用呢？

劉忠範說：“‘殺手锏級’的用途，意味着離開它不行。我們現在還沒有找到石墨烯‘殺手锏級’的用途。”

他表示，未來可能從兩個方向找到石墨烯的殺手锏級用途，一類是邏輯推理式的用途，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。比如現在的透明導電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素铟。而石墨烯薄膜導熱性、導電性非常好，又是透明的和柔性的，且隻含常見的便宜的碳原子。未來，石墨烯薄膜用做透明導電薄膜，制作可穿戴柔性電子器件，将大有前途，或許能成為“殺手锏級”的用途。

非邏輯性的出其不意的用途，則需要研究者的創意思考。“比如我們把石墨烯長到藍寶石上，跟LED結合起來，做成LED照明器件。其他什麼工藝都不變，就可以将發光效率提升30％多。”劉忠範說，一旦産業化，這就是下一代的LED節能照明器件，會全面淘汰現有照明器件，也屬于“殺手锏級”應用。

“殺手锏級應用就是隻能用石墨烯，其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨特優勢，來開展它‘殺手锏級’應用的探索。”魏迪表示，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，将它與矽基半導體融合使用，制作出有優越性能的光電子探測器件、夜視遠紅外探測器件、邏輯電路器件等。

來源：經濟日報新聞客戶端

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!