走近“颠覆性技术”：最薄最快的纳米材料石墨烯

石墨烯结构图。绘画:沈依灵

最近，在深圳举行的第19届中国国际高新技术博览会上，石墨烯作为一种独特的新材料，再次引起人们的关注，成为中国最大、最具影响力的科技博览会上耀眼的“明星”。石墨烯有什么魔力，它能给人们带来什么惊喜？记者采访了相关专家。

人类正步入以硅为主要物质载体的信息时代。石墨烯很可能在下一个量子时代出现。

像钻石一样，石墨是碳的一种形式。有趣的是，由于不同的原子结构，钻石是地球上最硬的东西，而石墨是最软的矿物之一，通常被制成石墨棒和铅笔芯。

科学家说石墨烯是一种与石墨材料分离的平面晶体，仅由一层碳原子组成，排列成蜂窝状六边形。一般来说，石墨烯是单层石墨。一块1毫米厚的石墨含有大约300万层石墨烯。铅笔轻轻划过纸张，留下的痕迹可能是石墨烯的好层。

这种只有一个原子厚度的二维材料被认为是一种假设的结构，不能单独稳定存在。直到2004年，两位英国科学家成功地将石墨烯从石墨中分离出来，这证明了石墨烯可以单独存在，并因此一起获得了2010年诺贝尔物理学奖。

据中国第55电子科学研究所所长、微波和毫米波单片集成和模块化电路重点实验室主任高涛博士称，石墨烯的独特结构使其具有优异的电学、热学、机械和光学性能，例如更导电、更导热、更硬和更透明。薄而轻，强而韧，导电，导热...石墨烯的这些特性给了人们很多想象力。

石墨烯是目前世界上最薄的材料，厚度只有一个原子，大约0.3纳米，相当于一张A4纸的1/10万和一根发丝的1/50万。同时，石墨烯比金刚石更硬，透光率高达97.7%，是世界上最硬最薄的纳米材料。

同时，它可以导电。石墨烯的电子速度为1000千米/秒，是光速的1/300。非常适合制造下一代超高频电子器件。石墨烯也是热传导的大师，比银强10倍，能最有效地传导热量。

石墨烯的特性也很“有趣”。例如，当一滴水在石墨烯表面滚动时，石墨烯可以灵敏地“检测”细微的运动并产生连续的电流。这一特性为科学家们提供了一个新的想法——从水流中获取电能。例如，涂有石墨烯的雨伞可以在雨天用来发电，或者制造敏感的传感装置。

“人类经历了石器时代、陶器时代、青铜时代和铁器时代。他们正步入以硅为主要物质载体的信息时代。下一个量子时代会出现什么材料？可能是石墨烯。”浙江大学高分子科学与工程系教授高琦说。

未来，电动汽车将使用石墨烯电池，这种电池可以在两到三分钟内充满电。

由于石墨烯的神奇性质、简单的制备和多维的研究视角，石墨烯具有巨大的应用潜力和广泛的应用产业，使其成为引人注目的材料“新星”，这并不奇怪。石墨烯自发现以来，仅在10年多的时间里就取得了许多令人震惊的研究成果。它可以被称为人类历史上从发现到应用最快的材料。

高昊说，从材料化学的角度来看，石墨烯将带来资源、环境、化学工业、材料、能源、传感器、运输机械、光电信息、健康智能、航空航天等领域的变化。中国石墨储量丰富，约占世界总量的75%。其高效发展将带来碳资源和中国大资源战略的新定位、新思维和新规划。

石墨烯的工业化生产将促进化学、机械、智能和自动控制行业的技术升级。石墨烯的加入可以生产用于制造高性能电池和电容器的多功能复合材料。石墨烯传感器可以在生物检测和光电检测中发挥重要作用。石墨烯和其他二维材料的异质复合材料可以制造高性能晶体管。

可以说，石墨烯技术将对我们的食物、衣服、住房、交通、使用和玩耍产生影响。石墨烯复合膜具有良好的耐氧性和耐水性，能够提高食品的货架期；石墨烯纤维可以制成加热服和医疗保健产品。石墨烯电热膜具有很高的电热转换效率，可以逐步取代集*热进行加热。石墨烯系列材料可用于汽车、火车等交通工具，石墨烯导热薄膜可用于手机的高效散热...

石墨烯的另一个有前途的应用领域是电能存储。其优点是充电速度快，可重复使用数万次。然而，石墨烯目前储存的电量不如电池多，也无法储存足够的电量。未来，随着充电设备的改进和相关技术的进步，使用石墨烯电池的电动汽车可能在2到3分钟内完全充电。

中国55所电子科学研究所微波和毫米波单片集成与模块化电路重点实验室副主任孔月灿博士说，石墨烯的电子速度是硅的10倍，石墨烯制成的高频器件理论上可以工作在硅的10倍甚至100倍。石墨烯引发的技术革命很可能从人们熟悉的微小芯片开始。

此外，研究人员已经完成了柔性衬底晶体管的开发，并试图开发柔性通信电路。将来，无论是可折叠显示屏还是可植入人体的可穿戴设备，都可以通过这种石墨烯器件来实现。

高涛认为，即使在实验室条件下，石墨烯的神奇性能仍未完全释放。由于在技术层面上仍有许多挑战，要将其应用到真正大的领域还有很长的路要走。然而，通过加强需求和研究的结合，石墨烯材料的制备和器件开发取得了重要突破，创造了更多更新和更具破坏性的应用。石墨烯作为新一代战略性新兴材料，将极大地改变人们的生产和生活。

国内石墨烯研究与国外研究基本同步，石墨烯产业有望在近期形成。

石墨烯一直是世界上热门的研究课题，并且正在升温。近年来，全球范围内与石墨烯相关的论文和发明专利数量几乎呈指数级增长。不仅各种优异的物理和化学性质得到了预测和证实，而且出现了许多具体的研究方向。

据了解，许多国家都在争夺石墨烯技术的制高点。欧盟石墨烯旗舰计划专注于石墨烯传感。美国正试图利用石墨烯来实现通信的灵活性，并取得了显著的成果。韩国继续支持石墨烯柔性显示的研究，并准备了演示产品。

高涛说，总的来说，世界上石墨烯的各种优异性能正逐步从实验室研究过渡到产品应用，而一些潜在的性能或应用仍在探索之中。然而，这一工程是一个漫长而艰难的过程，它为我国赶超国际水平、占领技术制高点带来了巨大的机遇。

高朝认为，中国对石墨烯的研究与国外基本同步，有些方面已经有了原创性和领先性的成果。国内研究侧重于化学和材料，而国外研究侧重于机理和装置。国内石墨烯的研究可以说在理论研究上取得了与国际先进水平“平行的进展”。论文和专利在数量和质量上都具有很强的国际竞争力。截至2016年3月，中国石墨烯专利总数占世界的56%。同时，国家资助了大量石墨烯相关基础研究项目，初步形成了*、科研机构和企业协同创新的产学研合作对接机制。

例如，清华大学开发了一种快速制备大米级石墨烯单晶薄膜的技术。世界上最快的柔性石墨烯晶体管是由中国电子科学研究院55所开发的。浙江大学的纳米聚合物团队经过近10年的研究，已经开发出石墨烯纤维、石墨烯连续组装膜、超轻石墨烯气凝胶和石墨烯无纺布。

接受采访的专家指出，令人惊讶的研究成果正在各个方向涌现，使得人们对石墨烯的未来充满了期待。然而，总的来说，石墨烯的技术成熟度仍然相对较低。对于石墨烯的发展来说，其限制或困难主要在于材料制备技术、全新的设计理念和二维控制技术。其中，石墨烯原料质量高、数量大的问题暂时还没有得到根本解决，需要大量的技术突破。一些技术如单层氧化石墨烯和石墨烯单晶已经在实验室成功制备，但要实现工程化、连续性、低成本、高效率和稳定制备还有很长的路要走。只有当真正高质量的石墨烯大规模生产时，颠覆性的应用才会出现。

然而，科学家们也乐观地认为，石墨烯的可控低成本制备技术在过去两年取得了突破性进展，有望在不久的将来形成石墨烯产业。