一種革命性材料？

這是單層石墨烯二維結(jié)構(gòu)的樣子

想象一下，我們可以制造一種材料，它比金剛石堅硬，具有極高的柔韌性和透明性，它比硅具有更高的電荷遷移率，它還可以被制造成一個原子厚的“二維結(jié)構(gòu)”，之所以被稱為二維結(jié)構(gòu)，是因為它們僅在兩個維度上延伸：長度和寬度。另外依靠極其優(yōu)秀的延展性，它可以根據(jù)需要變成任何形狀。這就是石墨烯，毫無疑問，石墨烯正在改變我們生活，也在改變著科學(xué)極限。

石墨很不普通，也很普通，石墨由簡單的元素碳組成，碳是地球上所有已知生命的基礎(chǔ)，也是宇宙中按質(zhì)量計算的第四大物質(zhì)，僅次于氫，氦和氧。如此普通多見的材料卻能被制造成應(yīng)用極為廣泛的不普通的物質(zhì)，這確實跟有趣。石墨烯最初是由曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年制造的，由于他們在分離和表征石墨烯方面的工作而贏得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯的應(yīng)用已經(jīng)被展開

石墨烯原子片呈六邊形環(huán)排列，非常類似于鐵絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，典型的碳原子直徑約為0.33納米，因此1毫米石墨中就會有大約300萬層石墨烯。石墨烯的六邊形環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了其獨特的光學(xué)，熱，機械和電的卓越性能。它是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的，宇宙中最薄最輕的物質(zhì)，也是有史以來最強的物質(zhì)。石墨烯比鉆石硬，但它比橡膠更有彈性，石墨烯比鋼堅硬，但比鋁的質(zhì)量輕。

石墨烯是一種革命性材料，這樣描述大家可能無法體會，我們可以舉一個例子。拿一片廚房保鮮膜為例，假設(shè)這片保鮮膜具有與單層石墨烯相同的參數(shù)，則需要2噸的重物或大型汽車施加的力，才能讓鉛筆穿過它，當(dāng)然了，這支鉛筆也需要擁有金剛不壞的“超能力”。除了強度，石墨烯還具有其他令人驚奇的特性，其電子遷移率比硅快100倍，它的導(dǎo)熱性是鉆石的2倍，它的電導(dǎo)率比銅高13倍，它僅吸收2.3％的反射光，它是不可滲透的，也就是說即使最小的氦原子也無法穿過無缺陷的單層石墨烯片。

科學(xué)家們?yōu)槲覀冋故玖艘环N將石墨烯超級電容器嵌入防水織物中的激光打印工藝

石墨烯的未來應(yīng)用

一聽到石墨烯，我們就會想到石墨烯電池。確實，石墨烯在室溫下就具有最高的電流密度，是銅電流密度的百萬倍。這意味著與其他任何材料相比，石墨烯可以承載更多的電流，速度更快，而其出色的熱性能也將意味著石墨烯相比于其他材料，在導(dǎo)電過程中更不容易發(fā)熱。

石墨烯的六邊形晶格結(jié)構(gòu)具有任何已知材料中最好的平均自由長度，通俗來說就是電子在其中可以自由移動而不會撞到任何東西發(fā)生損耗，當(dāng)平均自由長度高于材料的尺寸時，就會發(fā)生超導(dǎo)運輸。在石墨烯中，平均自由傳輸量約為65微米，這已經(jīng)足夠長，可以制成可以在環(huán)境溫度下幾乎沒有電阻的電子元件。這類似于超導(dǎo)，但是值得注意的是這是在室溫下，而不是特殊環(huán)境。

這是范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如果把石墨烯二維結(jié)構(gòu)看作積木（右），就有可能形成各種各樣的層狀結(jié)構(gòu)

未來，石墨烯不可能一片一片使用，未來更多的應(yīng)用是石墨烯融合體。比如科學(xué)家們可以利用石墨烯制造混合尺寸范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以通過將石墨烯與一維材料量子點或納米顆粒融合制造一些較宏觀的產(chǎn)品。石墨烯還可以與碳納米管組合制造，這樣會增強石墨烯的效果。石墨烯也可以與其他材料結(jié)合使用，根據(jù)需要設(shè)計新材料，以滿足不同行業(yè)的特殊需求�，F(xiàn)在，石墨烯在消費電子，通信，計算設(shè)備，工業(yè)材料，軍事安全和生物技術(shù)中使用的最多。當(dāng)然了，所有的這些應(yīng)用，其母片石墨烯的純度必須大于并不等于99.5%。

石墨烯讓我們看到了硅以外的電子世界，這將不受摩爾定律的束縛，我們可以看到石墨烯納米機器在醫(yī)學(xué)中的表現(xiàn)，我們可以看到石墨烯改變了電量存儲的方式，我們可以看到衣服上，線纜上，手機屏幕上等等很多地方有石墨烯涂層，這將是“萬物皆可石墨烯涂層”的時代。其實我們可以看到更多，未來，石墨烯將改變我們的生活方式，石墨烯在科學(xué)或制造應(yīng)用方面的價值均無法估量。

這幾張掃描電子顯微鏡圖像為我們展示了石墨烯涂層的橫截面圖像，下面兩張圖像為我們展示了石墨烯涂層樣品上的碳元素映射

清楚認(rèn)識石墨烯目前的應(yīng)用

石墨烯的未來值得想象，可是千里之行始于足下。目前，大規(guī)模的石墨烯制造存在很多問題，這已經(jīng)不是什么秘密了，那么為什么石墨烯的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)具有很多問題呢？首先，有很多類型的石墨烯。其次，不同的生產(chǎn)石墨烯的方法，會導(dǎo)致完全不同的結(jié)果。第三，產(chǎn)品中實際可用的石墨烯與原始制造的產(chǎn)品不同。

確實，石墨烯有許多不同的類型，它們的各方面參數(shù)各有千秋，其中一些多層的石墨烯（少于10層）更便宜，作為輔助產(chǎn)品是很好的，而單層石墨烯則會針對電子產(chǎn)品。不幸的是，近年來石墨烯科普工作并不出色，無論是最終用戶市場還是一般的大型公司，很多人都不知道自己在買什么。因此，盡管有非常適合采購的石墨烯的類型，客戶卻不一定選擇正確的類型，這會導(dǎo)致效果不佳并降低市場信心。所以石墨烯領(lǐng)域的科學(xué)家們還在為該領(lǐng)域努力著，努力實現(xiàn)更多的用戶產(chǎn)品。新材料的誕生，小眾成為大眾的過程總會有這樣那樣的問題。

這是石墨烯層，巴基球和碳納米管石墨烯片，石墨烯的六邊形結(jié)構(gòu)構(gòu)成了富勒烯的基礎(chǔ)，富勒烯是由60個或更多碳分子組成的空心分子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)上是如此靈活，甚至可以將其卷成空心圓柱體，使其成為分子物容器

商業(yè)領(lǐng)域中生產(chǎn)石墨烯的主要方法有兩種，分別是化學(xué)氣相沉積和石墨剝離法�；瘜W(xué)氣相沉積是一種自下而上的方法，可在基板上創(chuàng)建單層石墨烯。雖然說單層石墨烯可以說是最高質(zhì)量的，但它通常也更昂貴，目前只能小量生產(chǎn)。另外把石墨烯從基板上剝離還存在其他問題，所以一般客戶會把石墨烯直接沉積在產(chǎn)品上。在這個過程中，由于刺激性化學(xué)物質(zhì)，機械應(yīng)力，太陽射線等意外情況會破壞分子間鍵，該過程將變得不可控，這通常會導(dǎo)致產(chǎn)品會有不同的質(zhì)量表現(xiàn)。不過這也意味著質(zhì)量較低的石墨烯已經(jīng)量產(chǎn)，它便宜得多，而且這些石墨烯也適合作為各種類型的復(fù)合材料使用。

挑戰(zhàn)從未結(jié)束，進步從未停止

雖然理想中的量產(chǎn)石墨烯尚需克服一些挑戰(zhàn)，但是與石墨烯相關(guān)的研究技術(shù)一直在進步。最近這幾天有一些好消息，一個研究機構(gòu)已經(jīng)為大規(guī)模生產(chǎn)粉末形式的高質(zhì)量工業(yè)石墨烯開辟了新的技術(shù)，這類技術(shù)無需用強酸處理石墨，這家公司將在今年內(nèi)尋求商業(yè)生產(chǎn)的途徑。

牙齒上的石墨烯無線傳感器，可以較近距離傳輸人體健康數(shù)據(jù)

這個研究機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出一種電化學(xué)剝離工藝，該工藝可以向石墨電極發(fā)送適度的電流，將石墨烯剝離成非常薄的層，然后可以通過過濾器以粉末形式提取去除雜質(zhì)石墨烯。該技術(shù)每小時可生產(chǎn)60克優(yōu)質(zhì)石墨烯。而且所得材料在價格和質(zhì)量都優(yōu)于通過化學(xué)合成工藝生產(chǎn)的石墨烯，這些石墨烯將用作顯示器和智能手機等電子產(chǎn)品的耐熱部件。

還有一些商業(yè)石墨烯公司的科學(xué)家們從未停止量產(chǎn)石墨烯或是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的探索。在一組科學(xué)家的初步測試中，激光劃刻的石墨烯超級電容器的功率密度可與當(dāng)今使用的大功率鋰離子電池相媲美。不僅如此，石墨烯超級電容器還具有高度的柔韌性，輕巧，快速充電，薄與小等等特點，更重要的是其生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)土��?/p>

石墨烯鈣鈦礦太陽能電池

科學(xué)家們還研究了石墨烯改善能源存儲的方法，也就是石墨烯鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)工作，鈣鈦礦太陽能電池非常有前途成為下一代高效太陽能存儲能源�？茖W(xué)家們希望結(jié)合石墨烯改善鈣鈦礦太陽能電池的壽命和性能，同時降低鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)成本，該研究已經(jīng)取得了卓越的進展。在鈣鈦礦太陽能電池上添加還原的氧化石墨烯隔離層，可以讓其以20％的效率低成本生產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池，在運行1000小時后仍可保留高達95％的效率，所以在未來幾個月科學(xué)家們將建造一個石墨烯鈣鈦礦太陽能陣列區(qū)。

石墨烯除了能源存儲方面，還有很多應(yīng)用已經(jīng)被實現(xiàn)。石墨烯是高度惰性的，因此可以充當(dāng)一種屏障，這意味著將來的車輛可以用石墨烯噴漆噴涂汽車表面，使其耐腐蝕。如果石墨烯產(chǎn)能上來的話，還可以將石墨烯噴涂在很多條件合適的金屬表面上。由于石墨烯的強度，目前還有一些機構(gòu)準(zhǔn)備在特殊的軍用戰(zhàn)甲中添加石墨烯。

給科學(xué)與石墨烯一些時間

一說到石墨烯，大家就會想到石墨烯是一種商業(yè)營銷噱頭，其實不是。現(xiàn)在石墨烯的產(chǎn)能雖然有限，但是由于其卓越的性質(zhì)，很多領(lǐng)域已經(jīng)使用了石墨烯融合技術(shù)。在太空探索領(lǐng)域，石墨烯涂層已經(jīng)與光推進技術(shù)太陽帆融合，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，在你的手機里，可能有石墨烯散熱結(jié)構(gòu)，在一些顯示屏領(lǐng)域，一些屏幕也已經(jīng)添加了合適量的石墨烯以達到彎折目的。甚至是一些超貴的衣服，也擁有了石墨烯涂層，可以一定程度擺脫污漬的麻煩。

硅材料從發(fā)現(xiàn)到科學(xué)應(yīng)用已經(jīng)有200多年了，而石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)與制造僅有幾十年，雖然現(xiàn)在我們依然無法量產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的石墨烯，但是量產(chǎn)石墨烯的這一天總會來到�？茖W(xué)技術(shù)的突破，以及石墨烯的大規(guī)模商用將為我們帶來新的研究方向，新的科學(xué)研究領(lǐng)域，未來可期。

原題：科學(xué)認(rèn)識石墨烯應(yīng)用非常關(guān)鍵，這到底是商業(yè)噱頭還是革命性材料？