石墨烯——新世纪材料宠儿（国际视野）

石墨烯结构示意。 　　来自美国哈佛大学网站

超轻的石墨烯材料。 　　资料图片

三星公司展示的石墨烯柔性触摸屏。 　　来自英国广播公司网站

　　2004年，两位俄裔英籍科学家将石墨烯成功从石墨中分离。石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，如果说20世纪是硅的世纪，神奇的石墨烯则是21世纪新材料的宠儿

　　6月21日，在香港举行的“石墨烯时代21世纪的奇迹材料”产业化全球高端论坛上，诺贝尔物理学奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫爵士以一场妙趣横生的讲演，将听众带入一个玄妙神奇的科技世界，令人对未来美好生活充满遐想。

　　简单的实验

　　铅笔芯里诞生的诺奖

　　看过美剧《生活大爆炸》的观众，一定记得主人公“谢耳朵”钻研石墨烯，以致沉迷其中、不能自拔的情节。虽然该剧播出时，石墨烯研究尚未获诺贝尔奖，但已是学术界热点。

　　人们常见的石墨，是由一层层以蜂窝状有序排列的碳原子堆叠而成，层与层之间作用力较弱，可以相互剥离形成薄薄的石墨片。当石墨被剥离到单层、只有一个碳原子厚度时，所得到的石墨片就是石墨烯。

　　很长时间里，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中将石墨烯从石墨中分离，才证实了石墨烯可以单独存在。而这个惊世的开创性实验，却被诺沃肖洛夫评价为是“中学生都可以完成的实验”。

　　2004年，诺沃肖洛夫和他的导师海姆，以铅笔芯的主要成分——石墨为实验对象，成功通过机械微应力技术，将石墨分离成较小的碎片，最终得到了石墨烯这种新型超薄材料。当时，两人领导的研究小组利用透明胶带，将一张纸上的铅笔笔迹进行反复粘贴与撕开，使得石墨片的厚度逐渐减小，最终他们通过显微镜在大量的薄片中寻找到了厚度只有0.334纳米的石墨烯，而20万片石墨烯加在一起，才相当于一根头发丝的厚度。

　　6年后，海姆和诺沃肖洛夫获得了诺贝尔物理学奖。当时，诺贝尔奖委员会发言人激动地说，通常诺奖只奖励那些已经得到广泛实际应用的研究成果，但这一次，委员会强烈认为应当明确认可石墨烯这种有巨大潜能的新型材料。

　　由此，目前世界上最薄、最硬的材料——石墨烯逐渐走入大众的视野。

　　奇特的性能

　　比最好的钢坚固100倍

　　石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。

　　对海姆和诺沃肖洛夫研究的石墨烯，当年的诺奖评审委员会将其称为“完美原子晶体”。

　　石墨烯是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构，看上去就像是一张六边形网格构成的平面。这种独特的二维结构使其具有诸多优异的性能。

　　首先，石墨烯的结构非常稳定，迄今未发现有碳原子缺失的情况。在这种对称且完美的正六边形结构中，碳原子之间的连接极其柔韧。当受到外力时，碳原子面可以弯曲变形，而不必重新排列来适应外力，因而保证了自身结构的稳定性。测试发现，石墨烯是目前已知的强度最高的物质，其强度比世界上最好的钢还要高100倍。哥伦比亚大学物理学家做过的一个试验表明，如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它几乎能承受一头亚洲象的重量。

　　其次，石墨烯稳定的正六边形结构使电子能够极为高效地迁移。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体（例如硅和铜）用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%—81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，是目前室温下导电性最好的材料。

　　此外，石墨烯还具有较高的载流子迁移率，较高的室温热导率、超大的比表面积和高透明度等特性。

　　广阔的应用

　　太空电梯可能成为现实 

　　2012年10月，诺沃肖罗夫与其他科学家在《自然》杂志上发表了题为《石墨烯路线图》的文章，描述了石墨烯在柔性电子（包括触摸屏、电子纸、可折叠有机二极管发光器件等）、光子器件、复合材料、能量存储、传感、生物医学等领域的多种应用。

　　被广泛用于触摸屏、电子纸和有机发光二极管上的透明导电膜，需要同时具备低表面电阻和高透光率。随着传统的氧化铟锡的成本不断升高，利用石墨烯制备导电薄膜为发展上述柔性器件提供了诱人的前景。科学家预计，首个石墨烯触摸屏将会在三到五年内上市，石墨烯电子纸样品到2015年应该可以研发成功。

　　一般认为，晶体管尺寸越小，性能越好。但当普遍采用的硅材料尺寸小于10纳米时，所制备的晶体管稳定性明显变差。尽管目前对于石墨烯能否取代硅仍存在争议，但石墨烯至少可以和硅互为补充，以混合电路的形式扩充芯片的功能。同时由于电子在石墨烯电路中的运行速度远高于硅，因此石墨烯也是未来开发高频电子器件的理想材料。

　　石墨烯具有大的比表面积，优异的电学和光学性能使其成为构筑高灵敏度传感器的理想材料，可用于DNA测序、磁场检测、流速监测和应变测量等。应变测量可能是其中最具竞争力的应用方向。因为石墨烯是目前唯一可以被拉伸达20%的晶体，用石墨烯制备应变测量仪，可显著提高仪器的工作范围。

　　超级电容器和锂离子电池也是石墨烯重要的应用领域。超级电容器是一个高效存储和传递能量的体系，石墨烯拥有大的比表面积、规范的多孔结构、高的电导率和热稳定性，使其成为最有潜力的电极材料。用石墨烯制备锂离子电池，可以在增加电极储能的同时，减少锂离子的扩散距离，有效提高锂电池的充放电效率和循环稳定性。

　　中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带，食品包装甚至抗菌T恤。根据其轻薄、坚固的特性，人们不仅可以用其制造出坚韧的防弹衣、超轻型飞机材料，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

　　待破的瓶颈

　　各种制备方法均不完美

　　尽管石墨烯在众多领域拥有光明的应用前景，但实现这些应用的前提是发展大规模、低成本、大面积、结构与性能可调控的制备技术。

　　在金属表面催化生长石墨烯，再把它转移到适合的基底上，就好比在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜，想让它平平整整且完好无损，难度很大。目前，世界上大约研究出五六种石墨烯制备方法，但都不完美。

　　微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，无法满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为实验室小规模制备；化学气相沉积法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但成本较高，工艺复杂；氧化还原法工艺较为简单，但大量制备容易带来废液污染；溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，但是产率很低；溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题，但也带来了电导率很低的负面影响等等。

　　作为碳纳米材料家族的明星成员，碳纳米管在出现伊始，也凭借其特殊的结构与优异的光电性质，引起了社会各界的广泛重视。但十多年过去了，碳纳米管在工业中的应用远不及人们当初的期望。究其原因，是在大规模、低成本、可控制备方面仍存在较大的困难，这严重制约了碳纳米管的实际应用。

　　石墨烯在光电性质及应用上与碳纳米管十分相似，碳纳米管的性质与应用研究为石墨烯研究提供了很好的基础。同样碳纳米管在走向真正工业应用中所遇到的瓶颈，也很有可能会发生在石墨烯身上。

　　因此，在看到石墨烯光明的应用前景的同时，也应对制备工艺提起足够的重视。

　　韩国

　　专利量居全球第三

　　赵蕴华 

　　近年来，韩国政府积极支持本国科研机构和公司开展石墨烯技术研发及商业化应用研究。2007至2009年间，韩国教育科学技术部等部门累计资助了90项相关研究项目，经费达到1870万美元。2012至2018年间，韩国原知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于石墨烯技术研发，1.26亿美元用于石墨烯商业化应用研究。

　　2013年，韩国产业通商资源部宣布，将整合韩国国内研究机构与企业力量推进石墨烯商业化发展。包括韩国科学技术院在内的41家研究机构与6家企业形成石墨烯联盟。政府将在未来6年投入4230万美元，帮助企业实现石墨烯的应用产品与相关技术商业化。韩国政府希望以此来打造每年约153亿美元的市场，创造3.4万个就业机会，形成25家全球领先企业，全面推动韩国经济的发展。

　　在政府的高度重视与支持下，韩国在石墨烯技术走向市场方面取得了诸多突出的成果。2010年，韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，成功制备出电视机大小的纯石墨烯，并用该石墨烯制造了柔性触摸屏。2011年，韩国科学技术院的研究人员利用石墨烯成功研制出大容量、可挠式的超级电容器，有望应用在电动汽车和智能电网等领域。同年，韩国研究人员，开发出基于石墨烯的柔性有机电致发光器件。

　　尽管欧洲是石墨烯的诞生地，但在石墨烯创新方面，韩国的实力特别不容小觑。根据2013年1月剑桥知识产权代理有限公司发布的报告，韩国的石墨烯专利量居全球第三，达到1160项，远高于欧洲其他国家，仅次于美国和中国。韩国三星的石墨烯专利量多于世界上任何一家公司，拥有407件石墨烯专利和专利申请。 

　　英国

　　学院企业联手研发

　　刘润生

　　2010年，英国曼彻斯特大学海姆和诺沃肖洛夫教授因在石墨烯研究领域的杰出贡献而获得诺贝尔物理学奖。

　　2011 年英国在《促进增长的创新与研究战略》中将石墨烯确定为今后重点发展的四项新兴技术之一，并宣布将投入5000万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究，力图确保英国在石墨烯领域的领先地位，并使这种材料在未来几十年里从实验室进入生产线并最终走向市场。

　　英国推进石墨烯的商业化进程将主要在英国国家石墨烯研究所进行。该所由英国政府和曼彻斯特大学投资建设。研究院将集中全英的研究力量，为学术界、企业界提供合作平台，以支持石墨烯技术的早期开发和应用研究。同时，英国工程和自然科学研究委员会、英国技术战略委员会将投入约1000万英镑，建立一个以新兴技术探索和市场开发为核心的创新中心，致力于开发、应用、探索新的石墨烯技术，以真正实现石墨烯在商业上的应用。

　　2012年12月，英国政府又追加2150万英镑资助石墨烯的商业化探索研究，这笔投资将用于支持尖端研究项目以发现石墨烯的日常用途。项目参与机构包括帝国理工大学、剑桥大学、杜伦大学、埃克塞特大学、曼彻斯特大学和皇家霍洛威学院等。

　　这些大学的工业合作伙伴包括芬兰诺基亚公司、英国BAE系统公司、美国宝洁公司、英国国防科技集团、英国戴森公司、英国罗罗公司、日本夏普公司和荷兰飞利浦公司等。其中，剑桥大学将开展石墨烯在柔性电子和光电子方面的应用研究，如触摸屏等。帝国理工大学将开展石墨烯在多功能涂层、纤维复合材料方面的应用研究。剑桥大学将和曼彻斯特大学合作探索石墨烯在能源存储方面的应用研究，如超级电容器和电池等。美国宝洁公司、英国戴森公司将和杜伦大学合作探索石墨烯复合材料的潜在应用领域。

　　欧盟   

　　诺奖科学家领衔

　　刘润生

　　欧洲是石墨烯的诞生地，十分注重在这一领域提前布局。欧盟委员会认为，从长期看，石墨烯材料可能同钢铁、塑料一样重要，有可能代替硅成为信息技术的基础材料，还可能在能源、交通和医疗领域发挥重要作用。

　　2013年1月，欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，10年提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度。

　　石墨烯旗舰项目的使命是让石墨烯从实验室走向社会，促进经济增长并创造新就业。旗舰项目将组成产学研联盟，涵盖从材料生产到零件和系统集成的整个价值链。从2013年开始，旗舰项目将协调来自欧洲17个国家学术界和产业界的126个研究组，计划在30个月内投入5400万欧元。在项目启动后将通过公开征集的方式进一步扩大产学研联盟，计划再吸引20至30个研究组，以加强该计划在工程领域的研究实力。

　　根据欧盟委员会的决定，石墨烯旗舰项目将由瑞典查默斯理工学院科学家亚里·基纳雷特牵头，由来自世界各地的研发团队共同负责实施。战略咨询委员会将为项目管理团队提供支持。该委员会成员包括三位诺贝尔奖获得者、空客公司和诺基亚公司的代表以及国际科学界的两名代表。在三位诺贝尔奖获得者中，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫因首先分离出石墨烯材料于2010年获得诺贝尔物理学奖，德国科学家冯·克利青因发现整数量子霍尔效应于1985年获得诺贝尔物理学奖。

　　该项目的研究范围十分广泛，其中石墨烯的制备是核心。在30个月的爬坡期阶段，石墨烯旗舰项目将重点关注信息通讯技术和交通领域，并支持石墨烯在能源和传感器领域的应用。

　　虽然目前欧洲一直没有积极申请专利，但美国德州仪器公司的石墨烯专家路易吉·科伦坡认为，它仍是当今全球石墨烯的研发中心。

　　本版作者单位均为中国科学技术信息研究所

　　《 人民日报 》（ 2013年06月24日 23 版）