有沒(méi)有這樣一款堅(jiān)韌的薄膜，它能以一支鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會(huì)被戳破？

石墨烯可以做到。

近日，在北京市科協(xié)主辦的“首都科學(xué)講堂”上，中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范和北京石墨烯研究院副院長(zhǎng)、石墨烯器件技術(shù)研究部部長(zhǎng)魏迪這兩位專家，向公眾介紹了石墨烯這款曾獲得2010年諾獎(jiǎng)的明星材料。

透明膠帶撕出來(lái)的諾獎(jiǎng)

石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。1毫米厚的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯。

石墨烯是由一層以六角形蜂巢結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的二維碳材料。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨，但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因?yàn)椋缭?0多年前，理論研究就表明，完美的二維結(jié)構(gòu)晶體無(wú)法在非絕對(duì)零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法突破了科學(xué)家們的理論認(rèn)知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷這樣操作，薄片越來(lái)越薄，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

理論上不可能，實(shí)驗(yàn)中卻偏偏被制備出來(lái)了！這個(gè)發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學(xué)界。僅僅6年后，兩位發(fā)現(xiàn)者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“大家經(jīng)常講，石墨烯這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)是用透明膠帶撕出來(lái)的。實(shí)際上我們不能小瞧這么一個(gè)簡(jiǎn)單但是重要的發(fā)現(xiàn)?！眲⒅曳对菏空f(shuō)，對(duì)于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，像這兩位科學(xué)家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。

石墨烯有很多神奇的性能，因此號(hào)稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)原子層；它是強(qiáng)度最大的材料，理論上它的強(qiáng)度比鋼強(qiáng)韌200倍；它是導(dǎo)電性最好的材料，電導(dǎo)率是銀的1.6倍；它是導(dǎo)熱性最好的材料，熱導(dǎo)率是銅的13倍。

劉忠范介紹，石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，又具備超強(qiáng)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，這讓它的應(yīng)用前景十分廣闊。

它可以做觸摸屏，因?yàn)樗峭该鲗?dǎo)電薄膜；也可能用做超快集成電路，因?yàn)槭├锏碾娮优艿姆浅？?，在室溫下的電子遷移率超過(guò)了硅材料的10倍；它是輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在航空航天領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用前景；它的電磁屏蔽性質(zhì)，也可以利用來(lái)做隱型飛機(jī)、隱身材料……

它可能產(chǎn)生一些類似于科幻電影場(chǎng)景的酷炫應(yīng)用。

“石墨烯的酷炫應(yīng)用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的載流子遷移率，能讓電子跑得非?？臁Ｈ绻f(shuō)常用的導(dǎo)電材料是高速路上行駛的汽車，那石墨烯就是一輛超跑。”魏迪說(shuō)，這個(gè)性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。

人體能發(fā)射遠(yuǎn)紅外光，由于石墨烯超高的載流子遷移率，遠(yuǎn)紅外光投射到它上面后產(chǎn)生的電子可以被迅速地采集。這樣，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡，就可以看到夜里的一切東西，還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于石墨烯具備其透光性，它還能作為顯示屏投射各種信息，當(dāng)你去一個(gè)陌生地方，它可以即時(shí)顯示路況、附近酒店、景點(diǎn)、餐館等服務(wù)信息。

石墨烯產(chǎn)業(yè)哪家強(qiáng)？

不過(guò)，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)還比較骨感?，F(xiàn)在你能在市場(chǎng)買到的石墨烯，很可能大部分都只是石墨。

2018年，《先進(jìn)材料》上曾發(fā)表一篇文章，作者之一就是石墨烯諾貝爾獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中，研究者們分析了來(lái)自美洲、亞洲和歐洲的60家公司的粉體石墨烯樣品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司的樣品中石墨烯含量低于10％，而且沒(méi)有一家樣品中石墨烯的含量超過(guò)50％。

單層石墨烯是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)物，可工業(yè)化大量制備的石墨烯一般有幾層呢？

“從應(yīng)用的角度講，一般大家的共識(shí)是十層以下可稱為石墨烯，盡管嚴(yán)格意義上講，只有單層石墨片才是真正的石墨烯，而十層以上就是普通的、傳統(tǒng)的粉體石墨?！眲⒅曳墩f(shuō)。

石墨烯一般分成兩類，一類是粉體石墨烯，一類是薄膜石墨烯。這兩類石墨烯的制備方法完全不同，應(yīng)用的領(lǐng)域和場(chǎng)景也完全不同。

在規(guī)?；墓I(yè)制備中，石墨烯粉體一般是用化學(xué)反應(yīng)剝離石墨層的辦法去做。但這類氧化還原方法常常會(huì)帶來(lái)大量的廢酸、廢水。比如用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生產(chǎn)1公斤石墨烯需要耗費(fèi)50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀和1噸水。

薄膜石墨烯的規(guī)模化制備方法，最有代表性的是化學(xué)氣相沉積技術(shù)，即在高溫爐子里，通過(guò)高溫化學(xué)反應(yīng)來(lái)一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面，在1000攝氏度通上甲烷，就可以生成一個(gè)單原子層的石墨烯。

我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀如何，在世界上處于什么位置？

截止2020年6月底，我國(guó)在工商部門注冊(cè)的、營(yíng)業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了16800家。全國(guó)已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個(gè)，石墨烯研究院54家，石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個(gè)，石墨烯聯(lián)盟12個(gè)，分布在21個(gè)省市。

石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的文章數(shù)量，我國(guó)從2011年開(kāi)始就在全球領(lǐng)先，現(xiàn)在占比超過(guò)全球的1／3。石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量我國(guó)也是全球最多，大約占全球的7成。我國(guó)粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大，已達(dá)到每年5000多噸。我國(guó)在薄膜石墨烯的制備方面也全球領(lǐng)先，年產(chǎn)能已達(dá)到650萬(wàn)平米左右。

“從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、知識(shí)產(chǎn)權(quán)擁有量、文章發(fā)表數(shù)量上，我們是全球領(lǐng)先的。但要注意的是，與歐洲、美國(guó)、日本和韓國(guó)相比，中國(guó)石墨烯行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)根本不在一個(gè)頻道上。國(guó)外更多關(guān)注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來(lái)型技術(shù)研發(fā)，而中國(guó)則非常重視近期的實(shí)用性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?！眲⒅曳墩f(shuō)，雖然我們對(duì)未來(lái)核心技術(shù)的關(guān)注相對(duì)少一點(diǎn)，但從總體上看，中國(guó)的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化力量在全球還是處于第一方隊(duì)。

魏迪認(rèn)為，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)目前很多是在低附加值的添加涂料或加熱領(lǐng)域，未來(lái)應(yīng)更多地往光電子器件、傳感器件等高附加值產(chǎn)業(yè)布局。

“殺手锏”級(jí)應(yīng)用會(huì)是啥

石墨烯目前已經(jīng)被嘗試在哪些方面應(yīng)用？

劉忠范介紹，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)有“三大件”，一是新能源，將石墨烯用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑，使電池充電速度更快、電容量也有提升；二是添加進(jìn)防腐涂料，節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅的含量，同時(shí)提升防腐性能；三是大健康領(lǐng)域，比如利用其導(dǎo)熱性能制作眼罩、護(hù)膝等理療產(chǎn)品。三者合計(jì)，約占90％。

國(guó)內(nèi)也有石墨烯高端產(chǎn)品，比如采用了石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜的石墨烯手機(jī)等。

國(guó)際上在用石墨烯做什么產(chǎn)品？

2019年的世界移動(dòng)通信大會(huì)上有石墨烯的專門展廳，石墨烯被用于數(shù)據(jù)通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、新能源等領(lǐng)域。比如用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測(cè)有害氣體，用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時(shí)探測(cè)可見(jiàn)光和紅外光。

石墨烯幾乎無(wú)所不能，但目前石墨烯材料應(yīng)用面廣而不專精。那么，未來(lái)什么才可能成為石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級(jí)應(yīng)用呢？

劉忠范說(shuō)：“‘殺手锏級(jí)’的用途，意味著離開(kāi)它不行。我們現(xiàn)在還沒(méi)有找到石墨烯‘殺手锏級(jí)’的用途?！?/span>

他表示，未來(lái)可能從兩個(gè)方向找到石墨烯的殺手锏級(jí)用途，一類是邏輯推理式的用途，一類是出其不意的用途。

邏輯推理式用途，是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性非常好，又是透明的和柔性的，且只含常見(jiàn)的便宜的碳原子。未來(lái)，石墨烯薄膜用做透明導(dǎo)電薄膜，制作可穿戴柔性電子器件，將大有前途，或許能成為“殺手锏級(jí)”的用途。

非邏輯性的出其不意的用途，則需要研究者的創(chuàng)意思考?！氨热缥覀儼咽╅L(zhǎng)到藍(lán)寶石上，跟LED結(jié)合起來(lái)，做成LED照明器件。其他什么工藝都不變，就可以將發(fā)光效率提升30％多?！眲⒅曳墩f(shuō)，一旦產(chǎn)業(yè)化，這就是下一代的LED節(jié)能照明器件，會(huì)全面淘汰現(xiàn)有照明器件，也屬于“殺手锏級(jí)”應(yīng)用。

“殺手锏級(jí)應(yīng)用就是只能用石墨烯，其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，來(lái)開(kāi)展它‘殺手锏級(jí)’應(yīng)用的探索?！蔽旱媳硎?，從器件角度來(lái)講，可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能，將它與硅基半導(dǎo)體融合使用，制作出有優(yōu)越性能的光電子探測(cè)器件、夜視遠(yuǎn)紅外探測(cè)器件、邏輯電路器件等。