石墨烯——新世紀(jì)材料寵兒（國(guó)際視野）

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

　　2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒

　　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(tīng)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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(kāi)，使得石墨片的厚度逐漸減小，最終他們通過(guò)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(shuō)，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(guò)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(shuō)，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。科學(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(kāi)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�墨烯是目前唯一可以被拉伸達(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)�；�生產(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)�；�制備石墨烯的問(wèn)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(guò)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。

　　韓國(guó)

　　專利量居全球第三

　　趙蘊(yùn)華 

　　近年來(lái)，韓國(guó)政府積極支持本國(guó)科研機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)展石墨烯技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用研究。2007至2009年間，韓國(guó)教育科學(xué)技術(shù)部等部門累計(jì)資助了90項(xiàng)相關(guān)研究項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)達(dá)到1870萬(wàn)美元。2012至2018年間，韓國(guó)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。

　　2013年，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，將整合韓國(guó)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)力量推進(jìn)石墨烯商業(yè)化發(fā)展。包括韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院在內(nèi)的41家研究機(jī)構(gòu)與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟。政府將在未來(lái)6年投入4230萬(wàn)美元，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)商業(yè)化。韓國(guó)政府希望以此來(lái)打造每年約153億美元的市場(chǎng)，創(chuàng)造3.4萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)，全面推動(dòng)韓國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

　　在政府的高度重視與支持下，韓國(guó)在石墨烯技術(shù)走向市場(chǎng)方面取得了諸多突出的成果。2010年，韓國(guó)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。2011年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的研究人員利用石墨烯成功研制出大容量、可撓式的超級(jí)電容器，有望應(yīng)用在電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。同年，韓國(guó)研究人員，開(kāi)發(fā)出基于石墨烯的柔性有機(jī)電致發(fā)光器件。

　　盡管歐洲是石墨烯的誕生地，但在石墨烯創(chuàng)新方面，韓國(guó)的實(shí)力特別不容小覷。根據(jù)2013年1月劍橋知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司發(fā)布的報(bào)告，韓國(guó)的石墨烯專利量居全球第三，達(dá)到1160項(xiàng)，遠(yuǎn)高于歐洲其他國(guó)家，僅次于美國(guó)和中國(guó)。韓國(guó)三星的石墨烯專利量多于世界上任何一家公司，擁有407件石墨烯專利和專利申請(qǐng)。 

　　英國(guó)

　　學(xué)院企業(yè)聯(lián)手研發(fā)

　　劉潤(rùn)生

　　2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)海姆和諾沃肖洛夫教授因在石墨烯研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　2011 年英國(guó)在《促進(jìn)增長(zhǎng)的創(chuàng)新與研究戰(zhàn)略》中將石墨烯確定為今后重點(diǎn)發(fā)展的四項(xiàng)新興技術(shù)之一，并宣布將投入5000萬(wàn)英鎊支持石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究，力圖確保英國(guó)在石墨烯領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并使這種材料在未來(lái)幾十年里從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線并最終走向市場(chǎng)。

　　英國(guó)推進(jìn)石墨烯的商業(yè)化進(jìn)程將主要在英國(guó)國(guó)家石墨烯研究所進(jìn)行。該所由英國(guó)政府和曼徹斯特大學(xué)投資建設(shè)。研究院將集中全英的研究力量，為學(xué)術(shù)界、企業(yè)界提供合作平臺(tái)，以支持石墨烯技術(shù)的早期開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。同時(shí)，英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)、英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)將投入約1000萬(wàn)英鎊，建立一個(gè)以新興技術(shù)探索和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)為核心的創(chuàng)新中心，致力于開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、探索新的石墨烯技術(shù)，以真正實(shí)現(xiàn)石墨烯在商業(yè)上的應(yīng)用。

　　2012年12月，英國(guó)政府又追加2150萬(wàn)英鎊資助石墨烯的商業(yè)化探索研究，這筆投資將用于支持尖端研究項(xiàng)目以發(fā)現(xiàn)石墨烯的日常用途。項(xiàng)目參與機(jī)構(gòu)包括帝國(guó)理工大學(xué)、劍橋大學(xué)、杜倫大學(xué)、�？巳�特大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)和皇家霍洛威學(xué)院等。

　　這些大學(xué)的工業(yè)合作伙伴包括芬蘭諾基亞公司、英國(guó)BAE系統(tǒng)公司、美國(guó)寶潔公司、英國(guó)國(guó)防科技集團(tuán)、英國(guó)戴森公司、英國(guó)羅羅公司、日本夏普公司和荷蘭飛利浦公司等。其中，劍橋大學(xué)將開(kāi)展石墨烯在柔性電子和光電子方面的應(yīng)用研究，如觸摸屏等。帝國(guó)理工大學(xué)將開(kāi)展石墨烯在多功能涂層、纖維復(fù)合材料方面的應(yīng)用研究。劍橋大學(xué)將和曼徹斯特大學(xué)合作探索石墨烯在能源存儲(chǔ)方面的應(yīng)用研究，如超級(jí)電容器和電池等。美國(guó)寶潔公司、英國(guó)戴森公司將和杜倫大學(xué)合作探索石墨烯復(fù)合材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　歐盟   

　　諾獎(jiǎng)科學(xué)家領(lǐng)銜

　　劉潤(rùn)生

　　歐洲是石墨烯的誕生地，十分注重在這一領(lǐng)域提前布局。歐盟委員會(huì)認(rèn)為，從長(zhǎng)期看，石墨烯材料可能同鋼鐵、塑料一樣重要，有可能代替硅成為信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料，還可能在能源、交通和醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　2013年1月，歐盟委員會(huì)將石墨烯列為“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，10年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。

　　石墨烯旗艦項(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(zhǎng)并創(chuàng)造新就業(yè)。旗艦項(xiàng)目將組成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，涵蓋從材料生產(chǎn)到零件和系統(tǒng)集成的整個(gè)價(jià)值鏈。從2013年開(kāi)始，旗艦項(xiàng)目將協(xié)調(diào)來(lái)自歐洲17個(gè)國(guó)家學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的126個(gè)研究組，計(jì)劃在30個(gè)月內(nèi)投入5400萬(wàn)歐元。在項(xiàng)目啟動(dòng)后將通過(guò)公開(kāi)征集的方式進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，計(jì)劃再吸引20至30個(gè)研究組，以加強(qiáng)該計(jì)劃在工程領(lǐng)域的研究實(shí)力。

　　根據(jù)歐盟委員會(huì)的決定，石墨烯旗艦項(xiàng)目將由瑞典查默斯理工學(xué)院科學(xué)家亞里·基納雷特牽頭，由來(lái)自世界各地的研發(fā)團(tuán)隊(duì)共同負(fù)責(zé)實(shí)施。戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)將為項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)提供支持。該委員會(huì)成員包括三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、空客公司和諾基亞公司的代表以及國(guó)際科學(xué)界的兩名代表。在三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫因首先分離出石墨烯材料于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青因發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　該項(xiàng)目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心。在30個(gè)月的爬坡期階段，石墨烯旗艦項(xiàng)目將重點(diǎn)關(guān)注信息通訊技術(shù)和交通領(lǐng)域，并支持石墨烯在能源和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　雖然目前歐洲一直沒(méi)有積極申請(qǐng)專利，但美國(guó)德州儀器公司的石墨烯專家路易吉·科倫坡認(rèn)為，它仍是當(dāng)今全球石墨烯的研發(fā)中心。

　　本版作者單位均為中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所

　　《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2013年06月24日 23 版）