Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
劍橋大學石墨烯研究項目的負責人安德烈·法拉利博士正在檢查用于原子直徑厚度材料實驗的設備。
這種物質就是石墨烯。前不久，為了展示它的潛力，安德烈·法拉利(Andrea Ferrari)拿起一片透明塑膠，將其彎曲，然后輕擊上頭無形的按鍵，發(fā)出了叮咚作響的音樂聲。
該鍵盤由法拉利博士所在的劍橋大學(University of Cambridge)實驗室制作，它是用石墨烯打印出來的。這種物質柔韌性極強，科學家預測它將實現(xiàn)有關折疊電話和能折疊放進口袋的電子報紙的夢想。
它是已知的最薄的物質，但卻又極其堅硬、輕薄和柔韌。它在導電導熱和吸收光釋放光方面的能力超群。
科學家十年前才分離出了石墨烯這種物質，但有些公司已經開始將它納入產品之中：Head NV去年推出了一種注入石墨烯的網球拍。蘋果公司(Apple Inc.)、薩博(Saab AB)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corp.)最近已經申請或獲得了使用石墨烯的專利。
法拉利博士說：“石墨烯就像鋼、塑料和硅一樣，是一種會真正改變社會的物質。”他在劍橋大學帶領著一個約40人的石墨烯研究小組。
石墨烯也面臨著障礙。對于大眾市場來說它還是太過昂貴，它無法應用于某些電腦芯片電路中，科學家依然在試圖找出更好的方法將其變成可用的形式。英國研究公司Cambridge Intellectual Property主席昆廷·坦諾克(Quentin Tannock)說：“石墨烯是一種利用起來很復雜的技術。尋找其價值的比賽是馬拉松而不是短跑。”
對石墨烯的興趣從2010年開始激增，當時有兩名研究員因分離出這種物質獲得諾貝爾獎。目前，行業(yè)和學術界的科學家們正忙著為其廣泛的潛在用途申請專利。
休斯頓萊斯大學(Rice University)石墨烯專家詹姆斯·托爾(James Tour)說：“只要發(fā)現(xiàn)了什么，我就會申請專利。”
蘋果申請了將石墨烯用于制作移動設備“散熱器”的專利。薩博申請了為飛機機翼除冰的石墨烯加熱電路的專利。洛克希德·馬丁今年獲得了美國政府頒發(fā)的利用微型孔隙從海水中過濾鹽分的石墨烯薄膜的專利。
還有的公司申請了將石墨烯用于電腦芯片、電池、彈性觸摸屏、防銹涂層、DNA序列分析設備以及輪胎的專利。英國的一群科學家已經將石墨烯薄膜用于蒸餾伏特加。
Cambridge Intellectual說，截至今年5月，全球共有9,218項公開的石墨烯專利和專利申請，較一年前增長19%。該機構表示，在過去五年中，石墨烯專利申請累計數(shù)量增加了五倍多。
Cambridge Intellectual的主席坦諾克說：“這是一場圈地運動。”他說，對每一項研究成果都申請專利，“你就可以選擇在以后起訴你的競爭對手，制止他們的研究和使用”。他說，許多石墨烯專利申請看起來都是合法的，但有些只是推測性質，有些則可能是誤導對手的誘餌。
Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
“一有發(fā)現(xiàn)，我就會申請專利。”圖中手持圓盤的這位石墨烯專家說道。
石墨烯短期內最有可能應用于高速電子設備以及與法拉利博士的鍵盤一樣的彈性電路，因為會有對彈性電子顯示屏使用的需求。韓國三星電子公司(Samsung Electronics Co.)和芬蘭諾基亞公司(Nokia Corp.)等公司已經申請了石墨烯在移動設備中各種用途的專利。
最熱門的領域是用于制造電路的石墨烯墨水，一些公司已經開始銷售這種產品。法拉利博士的實驗室去年申請了一種可用噴墨打印機打印的石墨烯墨水的專利。巴斯夫(BASF SE)正在實驗用石墨烯墨水打印彈性電路，安裝在可加熱汽車座椅的墊襯內，該公司表示這種技術將會在未來幾年進入市場。
巴斯夫石墨烯研究團隊主管馬蒂亞斯·施瓦布(Matthias Schwab)說，“石墨烯結合了各種不同的效用”，這讓它變得很與眾不同，“沒有其他哪種物質可以做到這點”。
實際上，石墨烯只有兩個維度，微觀結構很像鐵絲網。在五年前發(fā)表的一項研究中，哥倫比亞大學(Columbia University)的研究員總結說，石墨烯是可測量的硬度最強的物質。他們計算出，需要一頭大象站在鉛筆末端才能刺破一片保鮮膜厚度的石墨烯。
石墨烯可吸收和釋放的光的波長范圍比任何已知的物質都大。它的導電性能比硅強得多。和易碎的硅不同，石墨烯柔韌性好、可伸縮。
石墨烯電路最終有望比銅和銀等傳導材料更便宜，因為它可以由石墨——普通鉛筆芯的主要成分——制成，而且也可以由一定量的氣體和金屬混合制成，或由固體碳源合成。
萊斯大學的托爾博士在2011年展示了石墨烯可以用各種不同的碳源合成，包括草、女童子軍曲奇餅干和蟑螂腿。
托爾博士的實驗室申請了多項石墨烯專利，包括增強復合材料強度的石墨烯條，他說其強度可用于制造高壓天然氣罐，這種氣罐可以直接在汽車內鑄模。他說，快速申請專利“讓我們在這種技術中有了一席之地”。
其中一個拖石墨烯后腿的因素是成本。有些美國供應商將銅箔上的石墨烯薄膜定價為每平方英寸60美元左右。德國Aixtron SE劍橋分公司總監(jiān)肯尼斯·泰奧(Kenneth Teo)估計：“像高速晶體管這樣的高端電子應用應該在每平方英寸一美元左右，觸摸顯示屏應該每平方英寸低于10美分。”該公司專門制造生產石墨烯的機器。
通常石墨烯必須與其他材料相結合才能開發(fā)其屬性，科學家們依然在嘗試如何才能有效地進行開發(fā)。
石墨烯也有一個顯著的缺點：不容易實現(xiàn)開關特性。IBM公司(International Business Machines Corp)最初對將石墨烯用于電腦芯片非常樂觀，但后來發(fā)現(xiàn)由于電子在其中的運動速度太快，不容易關掉，因此很難將電流轉換為“1”和“0”的數(shù)字碼。
全球的實驗室都在試圖解決這個問題。但IBM研究部門物理科學負責人蘇普拉蒂克·古哈(Supratik Guha)說，目前為止，“我們并沒有看到微處理器中的硅被石墨烯所取代”。他說他依然是石墨烯的強力支持者。IBM也是申請石墨烯相關專利的大戶。
許多材料曾經受到熱捧，但后來都未能實至名歸。石墨烯也有可能面臨這種命運。高溫超導體的發(fā)現(xiàn)在1987年獲得了諾貝爾獎，產生了大批專利，人們也紛紛預測包括磁懸浮高速列車在內的各類技術的出現(xiàn)。如今世界依然在等待。
但這并不影響科學家們對石墨烯的極大熱情。據(jù)湯森路透(Thomson Reuters)期刊索引庫Web of Science統(tǒng)計，2012年，科學家發(fā)表的有關石墨烯的論文較2011年增加了45%。
這是一場全球競賽：Cambridge Intellectual說，截至今年5月，累積申請石墨烯專利最多的是中國，美國和韓國緊隨其后。三星申請的專利數(shù)最多，接下來是IBM和韓國首爾成均館大學(Sungkyunkwan University)。
實驗室里或許是天馬行空，但有些專利已經被應用到了產品中。馬里蘭州杰瑟普(Jessup)的Vorbeck Materials Corp.公司生產了一種石墨烯墨水，該公司稱這種墨水如今被幾家美國商店用來打印用于防盜包裝的電路。該公司拒絕透露這些商店的名稱。
Head公司申請了一項可將石墨烯用于包括高爾夫球棒和滑雪板固定裝置在內的運動裝備的專利，其網球拍就是一例應用。公司一位代表建議問詢記者參閱公司網站。網站說由于石墨烯強度較大，因此球拍的用料會較少，設計師可以重新安排重量分布以增強球拍力量。
紐約州沃平杰斯福爾斯(Wappingers Falls)初創(chuàng)公司Bluestone Global Tech Ltd.生產的石墨烯片據(jù)說會發(fā)貨給來自美國、新加坡和中國的客戶。該公司首席執(zhí)行長Chung-Ping Lai預測說：“半年內石墨烯將會應用于可投入商業(yè)使用的手機的觸摸屏。”
在2003年以前，這種對石墨烯的追捧是不可想象的，當時許多科學家認為原子直徑厚度的任何物質都不可能不會分崩離析。
當年，安德烈·海姆(Andre Geim)偶然發(fā)現(xiàn)了石墨烯的奇妙特性。他是英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的科學家，出生在俄羅斯。他想用很薄的石墨烯來研究其電子屬性。一名博士生建議使用透明膠帶。
海姆博士和他的同事們用膠帶從石墨上剝離出薄片，直到獲得薄至透明的石墨層。直到無法再剝離時，就獲得了石墨烯。石墨烯層不但沒有破碎，反而強度很大、有彈性，而且擁有非凡的電子屬性。
其他科學家最初表示懷疑。海姆博士說：“沒有多少人相信我們。”但是據(jù)劍橋大學的法拉利博士回憶，到2006年3月，當海姆博士在巴爾的摩一場會議中作報告時，會場已是座無虛席。他說：“終于，我明白了這種物質的重要性。”
2010年，海姆博士和他的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因為石墨烯方面的貢獻獲得諾貝爾物理學獎。當時，各企業(yè)實驗室、萊斯和哈佛等大學、以及中國的學術機構已經開始加大石墨烯的研究。2010年，日本和韓國科學家公布了石墨烯觸摸屏原型機。
三星和韓國成均館大學的實驗室因其研究力度尤為引人注目。成均館大學石墨烯研究員Changgu Lee說：“雖然石墨烯的基礎研究始于歐洲和美國，但商業(yè)應用的早期研究始于韓國。我們想保持領先。”
三星發(fā)言人拒絕就公司在石墨烯方面的研究置評。
對石墨烯表現(xiàn)出興趣的還有美國軍方。2011年年末，位于馬里蘭州艾德菲(Adelphi)的美國陸軍研究實驗室(U.S. Army Research Laboratory)與波士頓的東北大學(Northeastern University)簽署了一項研究石墨烯屬性的協(xié)議，資金主要來自美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱Darpa)30萬美元的撥款。
東北大學物理學教授斯里尼瓦斯·斯里達爾(Srinivas Sridhar)說，該大學計劃用石墨烯設計更好的夜視鏡及其他探測器。Darpa的一位代表在電子郵件中證實了該項目。
今年夏天，通過參觀法拉利博士的實驗室，記者初步了解到了石墨烯研究的情況。他的同事費利切·托里西(Felice Torrisi)展示了膠帶從一塊石墨上剝離石墨烯的過程。托里西博士說，“這種規(guī)模顯然不足以應用于”工業(yè)用途。
這說明了石墨烯競賽中的一個重大目標：尋找生產的最佳方法。大量專利申請都描述了制造石墨烯的方法。
接著托里西博士拿起一小瓶裝有石墨烯和水的墨水。旁邊的噴墨打印機滋滋作響，將墨水印在一片塑料薄片上，形成一個近乎不可見的電路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士輕擊鍵盤后附帶的電子儀器會發(fā)出音樂聲的關鍵。
在其他的劍橋實驗室里，研究員們展示了一個石墨烯激光器的早期原型機，這款激光器可以發(fā)射出超速光脈沖和石墨烯傳感器，能夠探測到任何波長的光。
石墨烯的導熱屬性顯然是蘋果一項專利申請的核心。這項專利申請包括“可攜帶電子設備”元件背后的石墨烯“散熱器”的樣圖。蘋果發(fā)言人拒絕置評。
薩博希望利用石墨烯的輕薄和傳導性能，將其植入機翼用于除冰。薩博航空設備部門負責未來產品的馬茨·帕爾姆貝里(Mats Palmberg)說，這項研究還在初級階段，“但它肯定是我們推出飛行應用計劃的一部分”。
洛克希德在新聞稿中說預計其石墨烯薄膜能夠“更有效地進行海水淡化”，而成本只會是目前技術的很小一部分。
諾貝爾獲獎者海姆博士說，石墨烯的發(fā)現(xiàn)還導致科學家開始研究其他大量擁有特殊屬性、具有二維結構的物質。他說：“石墨烯打開了一個我們不知道的物質世界。”
