中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：左圖為由石墨烯和碳納米管制成的超輕材料。右圖為石墨烯在柔性電子上的應(yīng)用。
資料圖片
石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖
2010年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，兩位最早發(fā)現(xiàn)并揭示石墨烯獨(dú)特性質(zhì)的科學(xué)家獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯從此進(jìn)入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的新星。
石墨烯不是一種天然存在的材料。人們常見的石墨是由可以機(jī)械剝離的石墨片組成。由于石墨片層與層之間作用力較弱，當(dāng)石墨被剝離至單層，僅有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。
在材料大家族中，石墨烯只是個(gè)晚輩。2004年，海姆和諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開膠帶，石墨片就被減薄，一分為二。如此反復(fù)操作，薄片越來越薄，最終在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了石墨烯。人們發(fā)現(xiàn)，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨(dú)特性質(zhì)刺激了全球研究者的神經(jīng)，更有人將其稱之為“改變21世紀(jì)的材料”。
性能超強(qiáng)
石墨烯具有非凡的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極佳的透光特性
石墨烯具有完美的二維平面結(jié)構(gòu)，它蘊(yùn)含的豐富而新奇物理現(xiàn)象的奧秘就來源于此。
石墨烯擁有完美的對(duì)稱正六邊形結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定，而且各個(gè)碳原子之間的連接很柔韌，即使受到外力沖擊，也可以通過彎曲變形來維持穩(wěn)定。
這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)使石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優(yōu)質(zhì)品質(zhì)。據(jù)測(cè)試，它是迄今為止自然界中最強(qiáng)的二維材料，強(qiáng)度通常為普通鋼材料的數(shù)十倍。有人曾測(cè)算，一塊1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的貓，而該吊床的重量僅為0.77毫克，比貓的腮須還輕，肉眼根本看不到。
最讓科學(xué)界矚目的，是它超強(qiáng)的導(dǎo)電性能。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒介紹，石墨烯具有獨(dú)特的線性電子能帶結(jié)構(gòu)，其傳導(dǎo)電子是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)幾乎沒有阻力，遷移速度極快，是世上已知的電阻率最小的材料。因?yàn)檫@一特點(diǎn)，石墨烯被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。
石墨烯還有優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱性和透光性。它的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管和金剛石，且?guī)缀跬耆该?，只吸?.3%的光。透明、良好的導(dǎo)電特性，使它極適合制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。
應(yīng)用廣闊
在電子、航天軍工、新能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，有望引發(fā)現(xiàn)代電子科技新革命
石墨烯“出道”雖短，但其高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、極輕薄等優(yōu)勢(shì)，使產(chǎn)業(yè)界迅速嗅到了其在電子、航天軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域可能的應(yīng)用潛力。
目前的電子器件工業(yè)中，硅是主流的材料，而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中國科學(xué)院物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士高鴻鈞表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，成為國際上的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
韓國三星公司是石墨烯研究的最大投資者之一。2010年，韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個(gè)63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機(jī)大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。這是石墨烯在柔性電子應(yīng)用上的首次成功嘗試。
高鴻鈞說，三星公司的成果展示了石墨烯在未來柔性電子上廣泛應(yīng)用的可能性，很大程度上影響了當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬。
在能源領(lǐng)域，石墨烯有望在超級(jí)電容器和鋰離子電池發(fā)展上一展抱負(fù)。超級(jí)電容器是一個(gè)高效存儲(chǔ)和傳遞能量的體系，而石墨烯擁有大的比表面積、規(guī)范的多孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，使其成為最有潛力的電極材料。據(jù)悉，美國科學(xué)家在今年上半年研發(fā)出一種以石墨烯技術(shù)為基礎(chǔ)的“超級(jí)電容器”，其充電速率遠(yuǎn)高于普通電池，一部iPhone手機(jī)充滿電僅需5秒鐘。而用石墨烯制備的鋰離子電池，在增加電極儲(chǔ)能的同時(shí)，可以減少鋰離子的擴(kuò)散距離，提高鋰電池的充放電效率和穩(wěn)定性。
石墨烯在食品加工等生物領(lǐng)域也有用武之地。科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損，人們可以利用這一特點(diǎn)做繃帶、食品包裝等。
產(chǎn)業(yè)瓶頸
如何大規(guī)模制備高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯是產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問題
盡管科學(xué)界的石墨烯研究迅速推進(jìn)，也吸引了投資和關(guān)注，但研究者對(duì)其產(chǎn)業(yè)化仍持謹(jǐn)慎態(tài)度。
譚平恒說，有關(guān)石墨烯的眾多應(yīng)用研究目前多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，它的神奇性能能否完全在應(yīng)用上顯現(xiàn)，還需科學(xué)家進(jìn)一步分析和測(cè)試。
產(chǎn)業(yè)界多數(shù)企業(yè)還處于嘗試性探索階段。一個(gè)重要瓶頸是，產(chǎn)業(yè)化所需的高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯制備方式并不成熟。
諾獎(jiǎng)獲得者海姆和諾沃肖洛夫得到石墨烯的方式，被稱之為微機(jī)械剝離法，這一方式至今仍是實(shí)驗(yàn)室獲取石墨烯進(jìn)行基礎(chǔ)研究的重要手段。譚平恒說，該方法得到的石墨烯質(zhì)量高，但尺寸較小，且極費(fèi)人工、成本很高。在石墨烯研究初期，微機(jī)械剝離制備的1平方微米石墨烯的價(jià)格甚至達(dá)到一歐元左右。
其它方法，如化學(xué)氣相沉積法，雖然可以制備出大面積的石墨烯，但質(zhì)量仍有待提高，且工藝較為復(fù)雜;溶劑剝離法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的大批量制備，但含有較多的缺陷。
2009年，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在金屬釕單晶表面獲得高質(zhì)量大面積的單晶石墨烯材料，取得了制備法的重大突破。但高鴻鈞認(rèn)為，石墨烯并不能取代硅，在某些方面，或許可以取代硅的部分功能。他說，硅材料發(fā)展已有數(shù)十年歷史，應(yīng)用成熟，不是一個(gè)新材料在短時(shí)間內(nèi)可以替代或超越的。
譚平恒說，上世紀(jì)90年代，碳納米管憑借其優(yōu)異的光電性能，成為碳納米材料家族的明星，正是因?yàn)槠湟?guī)模化工業(yè)應(yīng)用的困難，一直沒能達(dá)到人們的期望。
在石墨烯的某些應(yīng)用中，需要將其轉(zhuǎn)移到合適的襯底上，而與襯底的相互作用可能會(huì)造成石墨烯性能的部分改變。
“石墨烯要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，不僅要解決如何制備出高質(zhì)量和大面積的材料，還需要解決石墨烯在器件集成方面的一些關(guān)鍵問題。”譚平恒說，當(dāng)前兩者均沒有得到很好的解決。
新聞鏈接
國外產(chǎn)業(yè)化介入較早
我國應(yīng)用相對(duì)薄弱
中國科學(xué)院物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士高鴻鈞介紹，對(duì)石墨烯的研究，我國起步雖相對(duì)較晚，研究跟進(jìn)卻很快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在國際權(quán)威期刊上發(fā)表的與石墨烯相關(guān)論文已經(jīng)居世界第一。
“但我們存在兩個(gè)不足。首先，雖然研究群體大、成果多，但突出性、原創(chuàng)性成果較少，我們采用他人成熟的方法，始終處于落后位置，重大創(chuàng)新十分有限，因此要在材料制備方法上尋求突破;此外，主要集中在基礎(chǔ)研究，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對(duì)薄弱?！备啉欌x說，歐洲、美國、韓國等國企業(yè)介入比較早，成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化也走在世界前列。
據(jù)介紹，歐盟委員會(huì)今年初宣布，“神奇的材料石墨烯”研究被列入“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，未來10年內(nèi)將分別獲得10億歐元的經(jīng)費(fèi)。
該旗艦項(xiàng)目的使命，是讓石墨烯從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長并創(chuàng)造新就業(yè)，吸引了包括海姆和諾沃肖洛夫在內(nèi)的三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，以石墨烯的制備為核心，重點(diǎn)關(guān)注在信息通訊技術(shù)和交通等領(lǐng)域的應(yīng)用。
韓國三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。2012至2018年間，韓國原知識(shí)經(jīng)濟(jì)部預(yù)計(jì)將向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究。
數(shù)據(jù)顯示，2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片，產(chǎn)值超過130億美元。到2015年，平板電腦對(duì)大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片。這都為石墨烯的應(yīng)用提供了誘人前景。
2011年，美國IBM已經(jīng)研制出了世界首款由石墨烯圓片制成的集成電路，把石墨烯計(jì)算機(jī)芯片推進(jìn)了一大步。
高鴻均表示，我國在重視石墨烯基礎(chǔ)研究的同時(shí)，還需要加強(qiáng)石墨烯的應(yīng)用基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化研究。簡單重復(fù)國外的應(yīng)用研究，未來可能在專利方面受制于人。他建議，石墨烯的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究應(yīng)該齊頭并進(jìn)，不可偏廢。在進(jìn)一步加深對(duì)其物理特性深入研究以獲得突出原創(chuàng)性成果的同時(shí)，也要加強(qiáng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化探索方面的研究。
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2013年07月19日 20 版)
