中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯(Graphene)是由單層碳原子構(gòu)成的六角形，呈蜂窩晶格的一層透明薄膜，是世界上為數(shù)不多同時(shí)具備“透明、導(dǎo)電和柔性”三大屬性的材料，這三種屬性很少能在同一個(gè)材料上出現(xiàn)，因此它又被稱(chēng)為“奇跡材料”。十年前，石墨烯還不太為人所知，如今，它的巨大潛力引發(fā)了無(wú)限的遐想。
我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３?huì)用到石墨，例如鉛筆芯；然而，從中分離出來(lái)的石墨烯，卻像是科幻電影里取出來(lái)的那般神奇。這項(xiàng)從鉛筆芯中得來(lái)的發(fā)現(xiàn)，為它的發(fā)現(xiàn)者帶來(lái)了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而按照《紐約時(shí)報(bào)》的說(shuō)法，石墨烯“具備顛覆當(dāng)前所有電子設(shè)備的潛質(zhì)，是材料的未來(lái)和電子行業(yè)的救命稻草”。
透明膠帶粘出的發(fā)現(xiàn)
2004年，物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫正在一張涂滿鉛筆筆跡的紙上，用透明膠帶粘來(lái)粘去。
這兩個(gè)人偶然意識(shí)到，他們可以強(qiáng)行將性狀類(lèi)似鉛筆芯的石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后利用普通膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開(kāi)膠帶，在不斷重復(fù)這一過(guò)程中得到越來(lái)越薄的石墨薄片，最后制成由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。
靠這種“粘取”，他們剝離出了石墨烯，隨后發(fā)現(xiàn)，石墨烯原子所獨(dú)具的、像一張鐵絲網(wǎng)似的六角形陣列排列方式，有潛力成為新型材料。它由碳原子以特殊結(jié)構(gòu)排列而成，比其他任何材料都具備更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性。更令人稱(chēng)奇的是，它不僅是世界上最硬的材料，而且柔韌性也最強(qiáng)。
“石墨烯是世界上為數(shù)不多同時(shí)具備透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性的材料。”有專(zhuān)家宣稱(chēng)，“這三種屬性很少能在同一個(gè)材料上出現(xiàn)?！焙穸戎挥幸粚犹荚拥氖┮虼吮环Q(chēng)為“奇跡材料”。
2010年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的至高榮譽(yù)由安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，因“研究二維材料石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而共享。評(píng)審委員會(huì)認(rèn)為，它“有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破”。
石墨烯能做什么？
雖然石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn)，然而它在2010年兩位研究者獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，才真正獲得關(guān)注，研究人員和大公司開(kāi)始集中精力研究如何商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯，與石墨烯相關(guān)的應(yīng)用性研究已初現(xiàn)成果。
物理學(xué)家和研究人員表示，由于石墨烯可以讓電子產(chǎn)品的屏幕更清晰且具備柔性特質(zhì)，這些產(chǎn)品將比以往采用硅材料的設(shè)備更薄、更快、更便宜。另外，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的電池也可具備防水性能。
2011年，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學(xué)表示這種電池可以讓手機(jī)“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。
2012年，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)表示，石墨烯技術(shù)進(jìn)步將使得“手機(jī)薄如紙張，能夠折疊裝入口袋”。媒體稱(chēng)研究人員正基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。
不久前，與韓國(guó)成均館大學(xué)合作的三星尖端技術(shù)研究所的研究人員稱(chēng)，三星已找到在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術(shù)進(jìn)步意味著公司可以開(kāi)始制造“柔性顯示屏、可穿戴產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)品”。有論者指出，三星的突破最終將成為“石墨烯商業(yè)化的救命稻草”。而三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、諾基亞和SanDisk公司的研究人員都在嘗試用石墨烯材料創(chuàng)造新型傳感器、晶體管和存儲(chǔ)器。
石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜。當(dāng)今電子行業(yè)的很多產(chǎn)品都能利用石墨烯而變得更好、更小、更便宜。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家去年制造了一款石墨烯揚(yáng)聲器，音質(zhì)等同于甚至好于森海塞爾耳機(jī)，體型更小。石墨烯迷人的地方還在于，它可浸入液體不被氧化，這一點(diǎn)與其他導(dǎo)電材料完全不同。研究者表示，石墨烯研究正在向讓電子產(chǎn)品與生物系統(tǒng)融合的方向轉(zhuǎn)變。換句話說(shuō)，未來(lái)石墨烯產(chǎn)品可以植入你的身體中，讀取神經(jīng)系統(tǒng)信息或同細(xì)胞對(duì)話。
取代無(wú)所不在的硅
目前來(lái)看，取代無(wú)所不在的硅，是石墨烯最具商業(yè)前景的用途。
傳統(tǒng)的集成電路晶體管是由硅制成的，著名的摩爾定律在上世紀(jì)70年代預(yù)言，晶體管的性能每?jī)赡昃湍芴岣咭槐丁５陙?lái)這一著名預(yù)言卻遭到科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多的質(zhì)疑，因?yàn)榫w管的尺寸不斷縮小，集成度越來(lái)越接近它的物理極限。晶體管的微型化造成的元件升溫，也使其性能大打折扣電子設(shè)備的溫度每升高10度，壽命就會(huì)折損一半。
而石墨烯材料制成的芯片，則有可能使元件的溫度保持在較低水平，從而進(jìn)一步推進(jìn)電子設(shè)備的微型化。電子產(chǎn)業(yè)甚至認(rèn)為，石墨烯日后能取代無(wú)處不在的硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命。
在國(guó)外，石墨烯材料的研發(fā)受到高度重視。2013年1月，歐盟委員會(huì)宣布將石墨烯和人腦工程兩大科技入選“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，并分別設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，每項(xiàng)計(jì)劃將在未來(lái)10年內(nèi)分別獲得10億歐元的經(jīng)費(fèi)。在我國(guó)，石墨烯材料的奇異特性，也逐漸引起政府、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視。2012年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中的前沿新材料，就包含石墨烯；科技部也明確表態(tài)將支持石墨烯材料的研究。
我國(guó)石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，但發(fā)展較快。2013年7月13日，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立。同時(shí)，江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中科院等機(jī)構(gòu)以多種形式協(xié)同創(chuàng)新，紛紛建立了產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，促進(jìn)了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
有待實(shí)現(xiàn)的承諾
當(dāng)石墨烯真正擺到商店貨架時(shí)，它們的外形和體驗(yàn)可能是我們從未見(jiàn)過(guò)的。
自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究人士一致努力開(kāi)發(fā)這種材料的商業(yè)用途，如替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域，制造鋰離子電池負(fù)極材料以及超級(jí)電容器，制造可彎曲觸摸屏等。
如今，研究的重心轉(zhuǎn)向了石墨烯與其他金屬的結(jié)合應(yīng)用。以太陽(yáng)能研發(fā)為例，美國(guó)麻省理工學(xué)院就構(gòu)想了一種新型光伏電池，由石墨烯與二硫化鉬結(jié)合制成。與當(dāng)下最小的光伏電池相比，這種新型光伏電池每單位體積的發(fā)電能力可高出30倍?？茖W(xué)家目前正在研究如何結(jié)合石墨烯與硫族化合物形成新的材料，用于制造能夠發(fā)電的外涂層。
然而，科學(xué)家眼中并沒(méi)有所謂的奇跡。石墨烯的工業(yè)化也無(wú)法一蹴而就。目前，石墨稀的造價(jià)仍然較高；而且，在某些情況下，它的性能并不如硅。與此同時(shí)，它微量的毒性也還沒(méi)有得到充分的考量。更關(guān)鍵的是，整個(gè)行業(yè)都在使用傳統(tǒng)硅芯片和晶體管制造電子產(chǎn)品，大企業(yè)這些接納石墨烯速度可能很緩慢。
石墨烯要走的路還很長(zhǎng)。
鏈接 奇跡材料 無(wú)處不在
電池
2011年，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學(xué)表示這種電池可以讓手機(jī)“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。
此外，特斯拉對(duì)電池技術(shù)的革新，也將引發(fā)市場(chǎng)對(duì)提升鋰電池能量密度材料的關(guān)注。石墨烯具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，是柔性?xún)?chǔ)能器件的理想候選材料之一。石墨烯復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料，可大幅提高負(fù)極材料的電容量和大倍率充放電性能。
超級(jí)計(jì)算機(jī)
由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了，這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
可穿戴設(shè)備
與韓國(guó)成均館大學(xué)合作的三星尖端技術(shù)研究所的研究人員稱(chēng)，三星已找到在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術(shù)進(jìn)步意味著公司可以開(kāi)始制造“柔性顯示屏、可穿戴產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)品”。
抗菌物質(zhì)
中國(guó)科學(xué)院上海分院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)超級(jí)有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞。假若石墨烯氧化物對(duì)其他細(xì)菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應(yīng)用，像自動(dòng)除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。
安全套
去年，比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)拿出10萬(wàn)美元獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)利用石墨烯創(chuàng)造出更薄、更輕和更穩(wěn)固的安全套科學(xué)家。
石墨烯感光元件
新加坡南洋理工大學(xué)的學(xué)者，研發(fā)出了一種以石墨烯作為感光元件材質(zhì)的新型感光元件，它可望透過(guò)其特殊結(jié)構(gòu)，讓感光元件感光能力比起傳統(tǒng)CMOS或CCD要好上1000倍，而且損耗的能源也只是原來(lái)的1/10。
傳感器
基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。這種傳感器可以植入你的身體中，讀取神經(jīng)系統(tǒng)信息或同細(xì)胞對(duì)話。
海水淡化
研究表明，石墨烯過(guò)濾器可能大幅度勝過(guò)現(xiàn)有的海水淡化技術(shù)。
飛機(jī)
以石墨烯為基礎(chǔ)的新型材料可以減輕飛機(jī)的重量，從而減少其煤油消耗以及二氧化碳的排放。此外，氧化銦錫是飛機(jī)駕駛艙屏幕電極制造中不可或缺的一種材料，但造價(jià)十分昂貴，石墨烯有希望取而代之。
基因電子測(cè)序
由于導(dǎo)電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接的、快速、低成本的基因電子測(cè)序技術(shù)。
