付冰冰

2018年12月18日，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)布了2018年度十大科學(xué)人物榜單，來(lái)自中國(guó)的麻省理工學(xué)院博士曹原憑借兩篇以第一作者署名的石墨烯論文位居該榜榜首。曹原在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的角度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。盡管該實(shí)驗(yàn)仍需嚴(yán)苛的特定條件，但曹原的研究成果仍令科學(xué)界為之振奮?！度毡窘?jīng)濟(jì)新聞》將曹原稱為“石墨烯的駕馭者”，并認(rèn)為他的發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的全新研究領(lǐng)域，有望提高能源利用效率與傳輸效率。

“十大科學(xué)人物的故事集中展示了2018年度最難忘的科學(xué)實(shí)踐，這些實(shí)踐迫使我們思考我們是誰(shuí)，從哪里來(lái)，以及我們要去向何處的難題?！薄蹲匀弧诽馗灏嬷骶幚锲妗っ赡盟固厮够绱吮硎?。

一條膠帶打開(kāi)了材料新世界

石墨烯于15年前在英國(guó)被發(fā)現(xiàn)，來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位教授安德烈·蓋姆和克斯特亞·諾沃消洛夫使用一種特殊膠帶，將三維的石墨薄片一分為二。通過(guò)近三十次重復(fù)操作，二人得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的二維石墨薄片，當(dāng)這種薄片的厚度在原子顯微鏡下僅為三百萬(wàn)分之一毫米時(shí)，石墨烯就此成為第一種被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的二維晶體。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯擁有高硬度、高柔韌度的特性。它比鉆石更堅(jiān)硬，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它具有極好的透光性使得它的導(dǎo)電性能被寄予厚望。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，因?yàn)橹挥幸粚釉?，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒(méi)有石墨烯表現(xiàn)得好。在電子和原子的碰撞作用下，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，普通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，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著更深層的特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，例如電子無(wú)視障礙、實(shí)現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的物理性質(zhì)。

在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性;加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車(chē)、飛機(jī)和衛(wèi)星。

石墨烯產(chǎn)業(yè)多領(lǐng)域嶄露頭角

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來(lái)移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來(lái)市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。

另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。

由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也很突出。

美國(guó)NASA宇航局開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，能夠很好地對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。

美國(guó)俄亥俄州的一家儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。

微型石墨烯超級(jí)電容技術(shù)突破可以說(shuō)是給電池帶來(lái)了革命性發(fā)展。當(dāng)前主要制造微型電容器的方法是平版印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。以后只需要常見(jiàn)的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價(jià)材料30分鐘就可以在一個(gè)光盤(pán)上制造100多個(gè)微型石墨烯超級(jí)電容。

聚焦世界目光的石墨烯

正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專(zhuān)利。

歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃。

英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場(chǎng)。

韓國(guó)研究人員在硅基底上成功合成了晶片級(jí)的高質(zhì)量多層石墨烯。該方法基于一種離子注入技術(shù)，簡(jiǎn)單而且可升級(jí)，這一成果使石墨烯離商業(yè)應(yīng)用更近一步。

美國(guó)普渡大學(xué)正在研究通過(guò)新的、更加簡(jiǎn)單的方式制造納米電極材料的工藝。該大學(xué)的研究表明，在電池中使用納米材料，將會(huì)增加電池的充電容量和充放電速度。

韓國(guó)的三星電子也在從事旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽(yáng)極物質(zhì)的研究。如果該研究能夠取得成功，鋰離子蓄電池的壽命將會(huì)提高到2倍以上。

2015年9月2日，據(jù)日本的科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）與日本東北大學(xué)的原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)（AIMR）發(fā)表，在作為下一代蓄電池而被熱切期待的鋰空氣電池中，通過(guò)使用具備三維構(gòu)造的多孔材質(zhì)石墨烯作為陽(yáng)極材料，獲得了較高的能量利用效率和100次以上的充放電性能。如果電動(dòng)車(chē)使用這種新型電池，則巡航里程將從目前的200公里左右增加到500公里—600公里左右。

從石墨烯中探索未來(lái)世界

中國(guó)在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國(guó)儲(chǔ)能豐富，且價(jià)格低廉。2015年10月，習(xí)近平總書(shū)記訪英期間，華為與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)共同宣布將在石墨烯領(lǐng)域展開(kāi)研究。習(xí)近平總書(shū)記在參觀曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院時(shí)指出，在當(dāng)前新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來(lái)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)。中國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)最活躍的國(guó)家之一。中英在石墨烯研究領(lǐng)域完全可實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。

在科研成果轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。我國(guó)最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。

2015年03月02日，全球首批3萬(wàn)部石墨烯手機(jī)在重慶發(fā)布，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，核心技術(shù)由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開(kāi)發(fā)。

2015年5月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院周震教授課題組發(fā)現(xiàn)一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負(fù)極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。

2015年6月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國(guó)教授的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，其獲得的驅(qū)動(dòng)力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動(dòng)”飛行成為可能。