石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的？應(yīng)用前景如何？

6月6日是國(guó)際石墨烯日。在這一天，關(guān)于石墨烯的研究與應(yīng)用再次成為科學(xué)界討論的熱點(diǎn)。作為目前世界上已知最薄、最強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最高的一種新型納米材料，石墨烯的發(fā)展前景被眾多科學(xué)家所看好，石墨烯也因此被稱為“黑金”。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克所說(shuō)，石墨烯可能是唯一一個(gè)從量子理論到應(yīng)用的實(shí)例。

石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的？應(yīng)用前景如何？從研究到應(yīng)用，我們還要越過(guò)哪些障礙？

1、發(fā)現(xiàn)石墨烯：顛覆了物理學(xué)界傳統(tǒng)思維定式

我們經(jīng)常談及的“石墨烯”，究竟是什么？

“石墨跟石墨烯只有一字之差，實(shí)際上，嚴(yán)格意義上的石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來(lái)，壘到足夠厚就可以得到石墨。而把石墨一層一層地剝下來(lái)，剝出的單層就是石墨烯?！备鶕?jù)北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授彭海琳的描述，石墨烯就是一種純碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二維材料，其形狀表現(xiàn)為碳原子構(gòu)成的蜂窩狀、六角形結(jié)構(gòu)的二維平面。

石墨烯曾一度被認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員趙揚(yáng)介紹，改變發(fā)生在2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等人首次成功利用微機(jī)械剝離法從石墨中分離得到石墨烯，顛覆了物理學(xué)界“二維原子晶體不可能在有限溫度下穩(wěn)定存在”的傳統(tǒng)思維定式，兩人也因“二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“雖然這次發(fā)現(xiàn)意義非凡，但其采用的制備方法卻很簡(jiǎn)單——利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨，把有黏性的一面對(duì)折，再把膠帶撕開(kāi)，石墨薄片就會(huì)被一分為二。”彭海琳告訴記者，不斷重復(fù)這個(gè)解離過(guò)程，石墨片就會(huì)越來(lái)越薄，最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯。當(dāng)然，現(xiàn)在制備石墨烯的方法更多了——經(jīng)過(guò)數(shù)年發(fā)展，科研人員發(fā)現(xiàn)了更多制備石墨烯的方法，這種新材料由此進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域。

2、探索石墨烯：很大程度改變?nèi)祟惿?br />
石墨烯，能用來(lái)干什么？

“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性最好的納米材料，幾乎完全透明，具有很大的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用到儲(chǔ)能、醫(yī)療、電子等各個(gè)領(lǐng)域?！壁w揚(yáng)舉例說(shuō)，石墨烯由于其高導(dǎo)電性、良好的電容性能和散熱性能等，被廣泛應(yīng)用于電容器、電池的電極材料中。其高導(dǎo)電性還尤其適合于高頻電路，因此石墨烯有望成為硅的替代品，進(jìn)而提升未來(lái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，減少能耗。

南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授蔡衛(wèi)補(bǔ)充說(shuō)，石墨烯能替代活性炭等，提高儲(chǔ)能器件的容量與效率。“石墨烯復(fù)合材料有望取代傳統(tǒng)的碳纖維，用于制造更加輕型的飛機(jī)和航天器等。具體到光學(xué)領(lǐng)域，石墨烯目前的應(yīng)用方向包括柔性透明電極、光伏器件、光源、光探測(cè)器、超快激光器、光頻轉(zhuǎn)換器及太赫茲器件等。”

“更值得一提的是，石墨烯可以用來(lái)做柔性觸摸屏、觸控屏。目前，市場(chǎng)上一般是用ITO（氧化銦錫）玻璃做觸摸屏，ITO玻璃比較脆，不能來(lái)回彎折。而石墨烯的柔性特質(zhì)則決定其可以來(lái)回掰。”彭海琳說(shuō)。

蔡衛(wèi)表示，石墨烯的廣泛應(yīng)用將很大程度上改變我們目前的生活，提供一個(gè)信息溝通更通暢、生活更加便利及更加環(huán)保的生活環(huán)境。

3、研究石墨烯：不能囿于低端應(yīng)用，要關(guān)注未來(lái)核心技術(shù)

“目前，我們對(duì)石墨烯的研究主要集中在三個(gè)方面：一是石墨烯及其復(fù)合材料的制備與其性能研究；二是基于石墨烯的基礎(chǔ)物理研究，如量子物理、極化激元物理等；三是石墨烯光電子器件及其應(yīng)用等?！辈绦l(wèi)介紹，目前，石墨烯研究逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，如2020年5月，華為發(fā)布的國(guó)內(nèi)首款5G平板華為MatePad Pro 5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術(shù)，總厚度達(dá)到400微米。

但從研究到應(yīng)用，石墨烯還要越過(guò)諸多障礙。

趙揚(yáng)說(shuō)，“現(xiàn)階段，若想將石墨烯直接應(yīng)用到實(shí)際還存在一些困難，主要原因在于石墨烯的生產(chǎn)工藝還不太成熟，導(dǎo)致石墨烯價(jià)格較高、質(zhì)量差、產(chǎn)量少。雖然很多公司的產(chǎn)業(yè)化正在緊鑼密鼓進(jìn)行，部分石墨烯產(chǎn)品也已推向市場(chǎng)，但石墨烯還無(wú)法滿足高質(zhì)量生產(chǎn)和大批量應(yīng)用的需求。”

彭海琳從國(guó)內(nèi)實(shí)際情況出發(fā)，給記者列舉了一系列數(shù)字——據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2011年起，我國(guó)關(guān)于石墨烯的文章數(shù)量已經(jīng)位居世界第一，接近六萬(wàn)篇，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第二名美國(guó)的兩萬(wàn)多篇；我國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專利占了全球的54%以上，也是遙遙領(lǐng)先。目前，我國(guó)涉及石墨烯業(yè)務(wù)的公司已超5000家，并且呈現(xiàn)迅速增加之勢(shì)。

但數(shù)字背后也隱藏著危機(jī)?！拔覈?guó)石墨烯研究與國(guó)外不完全在一個(gè)頻道上?！迸砗Ａ仗龟?，“我們更關(guān)注馬上能賺到錢(qián)的商品。我們有七百多家石墨烯涂料企業(yè)，還有眾多的石墨烯電熱器和大健康企業(yè)，以及越來(lái)越多的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯襪子、石墨烯護(hù)腰、石墨烯口罩等。反觀國(guó)外，他們更多關(guān)注的是未來(lái)，是石墨烯核心技術(shù)和高大上的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，如柔性石墨烯電子器件、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫茲探測(cè)器等各類傳感器、石墨烯分離膜及海水淡化技術(shù)等。顯而易見(jiàn)，這些東西不可能立即變現(xiàn)，不能期待幾年之內(nèi)就有多么大的產(chǎn)業(yè)，但它們可能代表石墨烯材料與器件的未來(lái)方向?！?br />
這樣的觀點(diǎn)值得注意。北京石墨烯研究院院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士劉忠范就曾多次指出，我國(guó)的石墨烯研究仍處在產(chǎn)業(yè)化前夜，至多是起步階段，我們不能過(guò)于急功近利，既要關(guān)注今天的產(chǎn)品，更要關(guān)注未來(lái)的核心技術(shù)。只有擁有這些核心技術(shù)，才能擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來(lái)。

4、應(yīng)用石墨烯：更廣泛的應(yīng)用將把人類帶入“碳時(shí)代”

發(fā)展石墨烯，前路在哪？

“未來(lái)，石墨烯應(yīng)該朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，其用途可體現(xiàn)在可穿戴的智能化手機(jī)手表、電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備的電池電極材料、軍用防彈衣、航空裝置的機(jī)械保護(hù)材料，以及一些柔性電子顯示屏和電子元件等方面?！壁w揚(yáng)認(rèn)為。

蔡衛(wèi)表示，從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，石墨烯要推動(dòng)基礎(chǔ)物理的發(fā)展，目前石墨烯已推動(dòng)整個(gè)二維材料領(lǐng)域的發(fā)展，為探索范德瓦爾斯二維異質(zhì)材料的基礎(chǔ)物理與應(yīng)用提供了可能，如轉(zhuǎn)角雙層石墨烯可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、石墨烯中的元激發(fā)能實(shí)現(xiàn)極端強(qiáng)的光—物質(zhì)相互作用等。“當(dāng)然，石墨烯要在新場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。如基于石墨烯的超靈敏光探測(cè)器可應(yīng)用在航空航天、無(wú)人駕駛、生物檢測(cè)等領(lǐng)域，又如石墨烯與其他二維材料或者現(xiàn)有硅基納米系統(tǒng)集成，出現(xiàn)在6G通訊器件中等?！?br />
“劉忠范院士曾給石墨烯材料勾畫(huà)了三種前途。第一種前途類似于碳纖維材料，在某些領(lǐng)域找到不可或缺的用途，成為“撒手锏”級(jí)的應(yīng)用。第二種前途類似于塑料，一百年前人們發(fā)明塑料，極大便利了人類生活，已經(jīng)滲透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有這種潛質(zhì)，在未來(lái)也可能像塑料一樣進(jìn)入我們的日常生活。第三種前途類似于硅材料。沒(méi)有硅材料，就沒(méi)有集成電路，自然也就無(wú)法進(jìn)入信息化時(shí)代。甚至可以講，我們現(xiàn)在生活在‘硅時(shí)代’。完美的石墨烯材料擁有遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料的光學(xué)和電學(xué)等特性，可用來(lái)制造未來(lái)的信息器件?！迸砗Ａ毡硎荆紫刃枰鉀Q的是石墨烯材料的制備問(wèn)題，在未來(lái)，高質(zhì)量石墨烯材料可以考慮先和傳統(tǒng)硅技術(shù)結(jié)合或融合發(fā)展，最終找到“殺手锏”級(jí)用途，有可能替代硅基材料，制造“碳基電子器件及集成電路”，從而把人類帶入“碳時(shí)代”。

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