和金剛石一樣，石墨是碳元素的一種存在形式。有趣的是，由于原子結構不同，金剛石是地球上自然界最堅硬的東西，石墨則成了最軟的礦物之一，常做成石墨棒和鉛筆芯。
科學(xué)家介紹說(shuō)，石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，只由一層碳原子構成、按蜂窩狀六邊形排列的平面晶體。通俗地講，石墨烯就是單層石墨。一塊厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯；鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是好多層石墨烯。
這種只有一個(gè)原子厚度的二維材料，一直被認為是假設性的結構，無(wú)法單獨穩定存在。直至2004年，兩位英國科學(xué)家成功地從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了其可以單獨存在，并因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
據中國電科55所所長(cháng)、微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗室主任高濤博士介紹，石墨烯獨特的結構讓它具有更導電、更傳熱、更堅硬、更透光等優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面的性能。輕薄、強韌、導電、導熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。
石墨烯的特點(diǎn)首先是薄，堪稱(chēng)目前世界上最薄的材料，只有一個(gè)原子那么厚，約0.3納米，是一張A4紙厚度的十萬(wàn)分之一、一根頭發(fā)絲的五十萬(wàn)分之一。與此同時(shí)，石墨烯比金剛石更硬，透光率高達97.7%，是世界上最堅硬又最薄的納米材料。
同時(shí)，它又能導電。石墨烯的電子運行速度達1000千米/秒，是光速的1/300，非常適合制造下一代超高頻電子器件。石墨烯還是傳導熱量的高手，比最能導熱的銀還要強10倍。
石墨烯的特性，也表現得很“好玩”。比如當一滴水在石墨烯表面滾動(dòng)時(shí)，石墨烯能敏銳地“覺(jué)察”到細微的運動(dòng)，并產(chǎn)生持續的電流。這種特性給科學(xué)家提供了一種新思路——從水的流動(dòng)中獲取電能。比如，在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘進(jìn)行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等。
“人類(lèi)經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時(shí)代，正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代；而下一個(gè)量子時(shí)代哪種材料將嶄露頭角呢？很可能是石墨烯。”浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超說(shuō)。
未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿(mǎn)
由于石墨烯的神奇性能，加上制備簡(jiǎn)便、研究視角多維，其應用潛力巨大、適用行業(yè)寬廣，成為搶眼的材料“新星”一點(diǎn)不奇怪。石墨烯從發(fā)現到現在僅10余年的時(shí)間，已取得了許多令人震撼的研究成果，稱(chēng)得上是人類(lèi)歷史上從發(fā)現到應用最快的材料。
高超說(shuō)，從材料化學(xué)角度看，石墨烯會(huì )帶來(lái)資源、環(huán)境、化工、材料、能源、傳感、交通機械、光電信息、健康智能、航空航天等領(lǐng)域的變化或變革。我國石墨礦儲量豐富，約占全世界的75%，其高效開(kāi)發(fā)將引起碳資源及我國大資源策略的新定位、新思考、新規劃。
石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)則將促進(jìn)化工、機械、智造、自控等行業(yè)的技術(shù)提升。石墨烯的添加可以產(chǎn)生多功能復合材料，用來(lái)制造高性能電池、電容器。石墨烯傳感器可以在生物檢測、光電探測方面大顯身手，石墨烯及其它二維材料的異質(zhì)疊合材料可制造高性能晶體管。
可以說(shuō)，石墨烯技術(shù)將對我們的吃、穿、住、行、用、玩都產(chǎn)生影響。石墨烯復合膜阻氧阻水性能好，可提高食品保質(zhì)期；石墨烯纖維可制成發(fā)熱服飾和醫療保健用品；石墨烯電熱膜電熱轉換效率高，可逐步代替暖氣供熱；石墨烯系列材料可用于汽車(chē)、火車(chē)等交通工具，石墨烯導熱膜可用于手機高效散熱……
石墨烯另一個(gè)被寄予厚望的應用領(lǐng)域是電能儲存。它的優(yōu)勢在于充電速度快，而且可以重復使用幾萬(wàn)次。但目前石墨烯存儲的電量不如電池多，還無(wú)法存儲足夠多的電能。未來(lái)，隨著(zhù)充電設施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē)使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿(mǎn)。
中國電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗室副主任孔月嬋博士介紹說(shuō)，石墨烯的電子運行速度是硅的十倍，由石墨烯制作的高頻器件理論上工作頻率可以達到硅的十倍甚至上百倍。石墨烯引發(fā)的技術(shù)革命很可能從人們常見(jiàn)的小小芯片開(kāi)始。
此外，科研人員已完成柔性襯底晶體管的研制，正在嘗試柔性通信電路的研制。未來(lái)無(wú)論是可以折疊的顯示屏幕，還是能夠植入人體的可穿戴設備，都可能靠這樣的石墨烯器件來(lái)實(shí)現。
高濤認為，即使在實(shí)驗室條件下，石墨烯的神奇性能依然沒(méi)有完全釋放出來(lái)。由于技術(shù)層面還存在著(zhù)不少挑戰，真正大面積應用還有很長(cháng)的路要走。但通過(guò)加強需求和研究的結合，不斷在石墨烯材料的制備和器件研制方面取得重要突破，創(chuàng )造更多更新更具顛覆性的應用，石墨烯這種新一代戰略性新興材料將會(huì )極大改變人們的生產(chǎn)生活。
國內石墨烯研究與國外基本同步，有望在不久的將來(lái)形成石墨烯產(chǎn)業(yè)
石墨烯一直是國際上的研究熱點(diǎn)，并在不斷升溫。近幾年來(lái)，全球石墨烯相關(guān)的論文和發(fā)明專(zhuān)利幾乎呈指數式增長(cháng)，不僅各類(lèi)優(yōu)異的物理化學(xué)性能被預測、證實(shí)，而且由此生發(fā)出很多具體的研究方向。
據了解，許多國家正在爭奪石墨烯技術(shù)的制高點(diǎn)。歐盟石墨烯旗艦計劃以石墨烯傳感為主要研究方向，美國正在嘗試利用石墨烯實(shí)現通信的柔性化并取得了顯著(zhù)的成果，韓國持續支持石墨烯柔性顯示的研究并制備出了演示產(chǎn)品。
高濤說(shuō)，總體來(lái)講，國際上石墨烯各項優(yōu)異性能正逐漸從實(shí)驗室研究向產(chǎn)品應用過(guò)渡，同時(shí)一些潛在的性能或應用還在不斷被發(fā)掘。但這個(gè)工程化是一個(gè)長(cháng)期而艱難的過(guò)程，給我國實(shí)現趕超國際水平、占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)帶來(lái)了絕好的機遇。
高超認為，目前國內石墨烯研究與國外基本同步，一些方面有原創(chuàng )和引領(lǐng)性成果。國內研究偏重化學(xué)和材料，國外更偏機理和器件。國內石墨烯的研究在理論研究方面可以說(shuō)是已實(shí)現與國際先進(jìn)水平“并跑”，論文、專(zhuān)利無(wú)論數量還是質(zhì)量都具有很強的國際競爭力。截至2016年3月，中國石墨烯的專(zhuān)利總數占全世界的56%。與此同時(shí)，國家資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎研究項目，初步形成了政府、科研機構和企業(yè)協(xié)同創(chuàng )新的產(chǎn)學(xué)研合作對接機制。
例如，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出米級石墨烯單晶薄膜的快速制備技術(shù)；中國電科55所研制出了世界上最快的柔性石墨烯晶體管；浙江大學(xué)納米高分子團隊則通過(guò)近十年研究，開(kāi)發(fā)出了石墨烯纖維、石墨烯連續組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無(wú)紡布等。
受訪(fǎng)專(zhuān)家指出，各個(gè)方向不斷出現令人驚喜的研究成果，讓人們對石墨烯的未來(lái)充滿(mǎn)期待。但總體來(lái)講，石墨烯技術(shù)成熟度還比較低。對于石墨烯的發(fā)展，其制約因素或者說(shuō)難點(diǎn)，主要在材料制備技術(shù)、全新設計理念和二維操控技術(shù)等方面。其中，高品質(zhì)、大批量的石墨烯原料問(wèn)題暫時(shí)沒(méi)有根本解決，還需要進(jìn)行大量技術(shù)攻關(guān)。有些技術(shù)如單層氧化石墨烯、石墨烯單晶等在實(shí)驗室制備成功了，但實(shí)現工程化、連續性、低成本、高效穩定制備還有較長(cháng)的路要走。只有真正高品質(zhì)的石墨烯量產(chǎn)了，顛覆性應用才會(huì )出現。
不過(guò)科學(xué)家們也比較樂(lè )觀(guān)，近兩年石墨烯的可控低成本制備技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展，有望在不久的將來(lái)形成石墨烯產(chǎn)業(yè)。
來(lái)源：中國礦業(yè)報
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