（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）前不久，任正非在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)聲稱(chēng)，未來(lái)10至20年內會(huì )爆發(fā)一場(chǎng)技術(shù)革命，“我認為這個(gè)時(shí)代將來(lái)最大的顛覆，是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代”，“現在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨是技術(shù)革命前沿”。這里提到的石墨烯，究竟是何方神圣？它真的能帶來(lái)顛覆嗎？
掃描電鏡下的石墨烯，顯示出其碳原子組成的六邊形結構。圖片來(lái)源：Lawrence Berkley National Laboratory 石墨烯——一種只有一個(gè)原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴(lài)石墨儲量也完全不是石墨的特性：石墨烯導電性強、可彎折、機械強度好，看起來(lái)頗有未來(lái)神奇材料的風(fēng)范。如果再把它的潛在用途開(kāi)個(gè)清單——保護涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等——那簡(jiǎn)直是改變世界的發(fā)明。連2010年諾貝爾物理學(xué)獎都授予了它呢！
其實(shí)就在2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來(lái)，兩年來(lái)的發(fā)展也基本證明了他們的預測。他認為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，雖然將來(lái)它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個(gè)重大困難之前，這一場(chǎng)景還不會(huì )到來(lái)。更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡(jiǎn)單地取代現有的設備——它的真正前景，或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應用場(chǎng)合。
石墨烯到底是什么？
石墨烯是人們發(fā)現的第一種由單層原子構成的材料。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當于無(wú)數層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。
石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關(guān)系。圖片來(lái)源：enago.com
但是適合歸適合，真的做出來(lái)還沒(méi)那么快。
問(wèn)題之一：制備方式。
許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個(gè)陷阱。這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時(shí)費力費錢(qián)的手段：機械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來(lái)。
諾沃肖洛夫團隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。圖片來(lái)源：wikipedia
當然現在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本——麻煩是這些辦法的產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類(lèi)似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來(lái)。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來(lái)。我們還有直接生長(cháng)法，在兩層硅中間直接設法長(cháng)出一層石墨烯來(lái)。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒(méi)有真的能適合工業(yè)化大規模推廣生產(chǎn)的技術(shù)。
這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個(gè)例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會(huì )被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來(lái)沒(méi)啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點(diǎn)上生長(cháng)出來(lái)的一片。它其實(shí)是多個(gè)點(diǎn)同時(shí)生長(cháng)產(chǎn)生的“多晶”，而沒(méi)有辦法能保證這多個(gè)點(diǎn)長(cháng)出來(lái)的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來(lái)的石墨烯內部，成為結構弱點(diǎn)、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點(diǎn)不像多晶金屬那樣會(huì )自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結果是整個(gè)石墨烯的強度要減半。材料是個(gè)麻煩的領(lǐng)域，想魚(yú)與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒(méi)有那么快。
顯微鏡下的一塊石墨烯，偽色標記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。圖片來(lái)源：Cornell.edu
石墨烯一個(gè)有前景的方向是顯示設備——觸屏，電子紙，等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點(diǎn)電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個(gè)問(wèn)題能在十年之內解決。
但是為啥我們不能干脆拋棄金屬，全用石墨烯呢？這就是它在電子產(chǎn)品領(lǐng)域里最致命的問(wèn)題?，F代電子產(chǎn)品全部是建筑在半導體晶體管之上，而它有一個(gè)關(guān)鍵屬性稱(chēng)為“帶隙”：電子導電能帶和非導電能帶之間的區間。正因為有了這個(gè)區間，電流的流動(dòng)才能有非對稱(chēng)性，電路才能有開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)——可是，石墨烯的導電性能實(shí)在太好了，它沒(méi)有這個(gè)帶隙，只能開(kāi)不能關(guān)。只有電線(xiàn)沒(méi)有邏輯電路是毫無(wú)用途的。所以要想靠石墨烯創(chuàng )造未來(lái)電子產(chǎn)品，取代硅基的晶體管，我們必須人工植入一個(gè)帶隙——但是簡(jiǎn)單植入又會(huì )使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個(gè)領(lǐng)域的研究的確不少：多層復合材料，添加其他元素，改變結構等等；但是諾沃肖洛夫等人認為這個(gè)問(wèn)題要真正解決，還要至少十年。
問(wèn)題之三：環(huán)境風(fēng)險。
石墨烯產(chǎn)業(yè)還有一個(gè)意想不到的麻煩：污染。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它很便宜，雖不能用來(lái)做電池、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域，作為電子紙等用途倒是相當不錯；可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊，只要它老老實(shí)實(shí)呆在電子產(chǎn)品里，那就沒(méi)有任何問(wèn)題；可是前不久研究者剛發(fā)現它在地表水里非常穩定、極易擴散。雖然現在對它的 環(huán)境影響下斷言還為時(shí)太早，但這的確是個(gè)潛在問(wèn)題。
所以，石墨烯的命運究竟如何？
鑒于過(guò)去幾個(gè)月里學(xué)界并無(wú)新的突破性進(jìn)展，近日它的這波突發(fā)性“火熱”，恐怕本質(zhì)上還是資本運行的炒作結果，應審慎對待。作為工業(yè)技術(shù)，石墨烯看起來(lái)還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出，目前石墨烯的應用還是受限于材料生產(chǎn)，所以那些使用最低級最廉價(jià)石墨烯的產(chǎn)品（譬如氧化石墨烯納米顆粒），會(huì )最先面世，可能只需幾年；但是那些依賴(lài)于高純度石墨烯的產(chǎn)品可能還要數十年才能開(kāi)發(fā)出來(lái)。對于它能否取代現有的產(chǎn)品線(xiàn)，諾沃肖洛夫依然心存疑慮。
另一方面，如果商業(yè)領(lǐng)域過(guò)度夸大其神奇之處，可能會(huì )導致石墨烯產(chǎn)業(yè)變成泡沫；一旦破裂，那么也許技術(shù)和工業(yè)的進(jìn)展也無(wú)法拯救它?？茖W(xué)作者菲利普·巴爾曾經(jīng)在《衛報》上撰文《不要期望石墨烯帶來(lái)奇跡》，指出所有的材料都有其適用范圍：鋼堅硬而沉重，木頭輕便但易腐，就算看似“萬(wàn)能”的塑料其實(shí)也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會(huì )發(fā)揮巨大的作用，但是沒(méi)有理由認為它能成為奇跡材料、改變整個(gè)世界?；蛘?，用諾沃肖洛夫自己的話(huà)說(shuō)：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應用領(lǐng)域里才能充分展現：那些設計時(shí)就充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來(lái)替代現有產(chǎn)品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子產(chǎn)品，可折疊太陽(yáng)能電池，和超級電容器等等新領(lǐng)域能否發(fā)揮它的潛能，就讓我們平心靜氣拭目以待吧。
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