石墨烯結(jié)構(gòu)示意。來(lái)自美國(guó)哈佛大學(xué)網(wǎng)站
超輕的石墨烯材料。資料圖片
三星公司展示的石墨烯柔性觸摸屏。來(lái)自英國(guó)廣播公司網(wǎng)站
6月21日，在香港舉行的“石墨烯時(shí)代21世紀(jì)的奇跡材料”產(chǎn)業(yè)化全球高端論壇上，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫爵士以一場(chǎng)妙趣橫生的講演，將聽眾帶入一個(gè)玄妙神奇的科技世界，令人對(duì)未來(lái)美好生活充滿遐想。
簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)
鉛筆芯里誕生的諾獎(jiǎng)
看過美劇《生活大爆炸》的觀眾，一定記得主人公“謝耳朵”鉆研石墨烯，以致沉迷其中、不能自拔的情節(jié)。雖然該劇播出時(shí)，石墨烯研究尚未獲諾貝爾獎(jiǎng)，但已是學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)。
人們常見的石墨，是由一層層以蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而成，層與層之間作用力較弱，可以相互剝離形成薄薄的石墨片。當(dāng)石墨被剝離到單層、只有一個(gè)碳原子厚度時(shí)，所得到的石墨片就是石墨烯。
很長(zhǎng)時(shí)間里，石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中將石墨烯從石墨中分離，才證實(shí)了石墨烯可以單獨(dú)存在。而這個(gè)驚世的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，卻被諾沃肖洛夫評(píng)價(jià)為是“中學(xué)生都可以完成的實(shí)驗(yàn)”。
2004年，諾沃肖洛夫和他的導(dǎo)師海姆，以鉛筆芯的主要成分——石墨為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，成功通過機(jī)械微應(yīng)力技術(shù)，將石墨分離成較小的碎片，最終得到了石墨烯這種新型超薄材料。當(dāng)時(shí)，兩人領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用透明膠帶，將一張紙上的鉛筆筆跡進(jìn)行反復(fù)粘貼與撕開，使得石墨片的厚度逐漸減小，最終他們通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了厚度只有0.334納米的石墨烯，而20萬(wàn)片石墨烯加在一起，才相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的厚度。
6年后，海姆和諾沃肖洛夫獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)發(fā)言人激動(dòng)地說，通常諾獎(jiǎng)只獎(jiǎng)勵(lì)那些已經(jīng)得到廣泛實(shí)際應(yīng)用的研究成果，但這一次，委員會(huì)強(qiáng)烈認(rèn)為應(yīng)當(dāng)明確認(rèn)可石墨烯這種有巨大潛能的新型材料。
由此，目前世界上最薄、最硬的材料——石墨烯逐漸走入大眾的視野。
奇特的性能
比最好的鋼堅(jiān)固100倍
石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。
對(duì)海姆和諾沃肖洛夫研究的石墨烯，當(dāng)年的諾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)將其稱為“完美原子晶體”。
石墨烯是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。這種獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其具有諸多優(yōu)異的性能。
首先，石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今未發(fā)現(xiàn)有碳原子缺失的情況。在這種對(duì)稱且完美的正六邊形結(jié)構(gòu)中，碳原子之間的連接極其柔韌。當(dāng)受到外力時(shí)，碳原子面可以彎曲變形，而不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，因而保證了自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，石墨烯是目前已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，其強(qiáng)度比世界上最好的鋼還要高100倍。哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家做過的一個(gè)試驗(yàn)表明，如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它幾乎能承受一頭亞洲象的重量。
其次，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形結(jié)構(gòu)使電子能夠極為高效地遷移。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體（例如硅和銅）用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%—81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，是目前室溫下導(dǎo)電性最好的材料。
此外，石墨烯還具有較高的載流子遷移率，較高的室溫?zé)釋?dǎo)率、超大的比表面積和高透明度等特性。
廣闊的應(yīng)用
太空電梯可能成為現(xiàn)實(shí)
2012年10月，諾沃肖羅夫與其他科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了題為《石墨烯路線圖》的文章，描述了石墨烯在柔性電子（包括觸摸屏、電子紙、可折疊有機(jī)二極管發(fā)光器件等）、光子器件、復(fù)合材料、能量存儲(chǔ)、傳感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的多種應(yīng)用。
被廣泛用于觸摸屏、電子紙和有機(jī)發(fā)光二極管上的透明導(dǎo)電膜，需要同時(shí)具備低表面電阻和高透光率。隨著傳統(tǒng)的氧化銦錫的成本不斷升高，利用石墨烯制備導(dǎo)電薄膜為發(fā)展上述柔性器件提供了誘人的前景?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，首個(gè)石墨烯觸摸屏將會(huì)在三到五年內(nèi)上市，石墨烯電子紙樣品到2015年應(yīng)該可以研發(fā)成功。
一般認(rèn)為，晶體管尺寸越小，性能越好。但當(dāng)普遍采用的硅材料尺寸小于10納米時(shí)，所制備的晶體管穩(wěn)定性明顯變差。盡管目前對(duì)于石墨烯能否取代硅仍存在爭(zhēng)議，但石墨烯至少可以和硅互為補(bǔ)充，以混合電路的形式擴(kuò)充芯片的功能。同時(shí)由于電子在石墨烯電路中的運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于硅，因此石墨烯也是未來(lái)開發(fā)高頻電子器件的理想材料。
石墨烯具有大的比表面積，優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能使其成為構(gòu)筑高靈敏度傳感器的理想材料，可用于DNA測(cè)序、磁場(chǎng)檢測(cè)、流速監(jiān)測(cè)和應(yīng)變測(cè)量等。應(yīng)變測(cè)量可能是其中最具競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用方向。因?yàn)槭┦悄壳拔ㄒ豢梢员焕爝_(dá)20%的晶體，用石墨烯制備應(yīng)變測(cè)量?jī)x，可顯著提高儀器的工作范圍。
超級(jí)電容器和鋰離子電池也是石墨烯重要的應(yīng)用領(lǐng)域。超級(jí)電容器是一個(gè)高效存儲(chǔ)和傳遞能量的體系，石墨烯擁有大的比表面積、規(guī)范的多孔結(jié)構(gòu)、高的電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，使其成為最有潛力的電極材料。用石墨烯制備鋰離子電池，可以在增加電極儲(chǔ)能的同時(shí)，減少鋰離子的擴(kuò)散距離，有效提高鋰電池的充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性。
中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。根據(jù)其輕薄、堅(jiān)固的特性，人們不僅可以用其制造出堅(jiān)韌的防彈衣、超輕型飛機(jī)材料，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。
待破的瓶頸
各種制備方法均不完美
盡管石墨烯在眾多領(lǐng)域擁有光明的應(yīng)用前景，但實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的前提是發(fā)展大規(guī)模、低成本、大面積、結(jié)構(gòu)與性能可調(diào)控的制備技術(shù)。
在金屬表面催化生長(zhǎng)石墨烯，再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上，就好比在一個(gè)足球場(chǎng)上鋪一層薄薄的保鮮膜，想讓它平平整整且完好無(wú)損，難度很大。目前，世界上大約研究出五六種石墨烯制備方法，但都不完美。
微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì)量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，無(wú)法滿足工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)要求，目前只能作為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備；化學(xué)氣相沉積法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯，但成本較高，工藝復(fù)雜；氧化還原法工藝較為簡(jiǎn)單，但大量制備容易帶來(lái)廢液污染；溶劑剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，但是產(chǎn)率很低；溶劑熱法解決了規(guī)模化制備石墨烯的問題，但也帶來(lái)了電導(dǎo)率很低的負(fù)面影響等等。
作為碳納米材料家族的明星成員，碳納米管在出現(xiàn)伊始，也憑借其特殊的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的光電性質(zhì)，引起了社會(huì)各界的廣泛重視。但十多年過去了，碳納米管在工業(yè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不及人們當(dāng)初的期望。究其原因，是在大規(guī)模、低成本、可控制備方面仍存在較大的困難，這嚴(yán)重制約了碳納米管的實(shí)際應(yīng)用。
石墨烯在光電性質(zhì)及應(yīng)用上與碳納米管十分相似，碳納米管的性質(zhì)與應(yīng)用研究為石墨烯研究提供了很好的基礎(chǔ)。同樣碳納米管在走向真正工業(yè)應(yīng)用中所遇到的瓶頸，也很有可能會(huì)發(fā)生在石墨烯身上。
因此，在看到石墨烯光明的應(yīng)用前景的同時(shí)，也應(yīng)對(duì)制備工藝提起足夠的重視。
