看新聞?wù)f21世紀(jì)是碳世紀(jì)，石墨烯將……

　　手機充電僅需幾秒鐘？手機屏幕能折疊彎曲？電動車電池續(xù)航800公里，充電幾分鐘即可完成。由這種物質(zhì)構(gòu)成的聚合物電池可為無人機和心臟起搏器提供能量……這些設(shè)想或許都將因為有“21世紀(jì)神奇材料”之稱的石墨烯的面世而成為可能。

　　石墨烯真的這么牛？ 

　　2004年，曼徹斯特大學(xué)2位研究員Andre Geim和Kostya Novoselov成功地從石墨中分離出了石墨烯，這項成果使得他們兩位在2010年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。其中，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾物理學(xué)獎得主Andre Geim曾經(jīng)對石墨烯做過這樣形容：“石墨烯對很多人來說，就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇。”

　　不知道大家還記不記得前一陣習(xí)大大訪問英國之旅，其中有個細(xì)節(jié)就是習(xí)大大專門去英國曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究所參觀了一下。2015年10月23日，習(xí)大大參觀的曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所（National Graphene Institute）以奪目之勢走進了石墨烯粉們的眼球。

　　●神奇石墨烯，到底何方神圣？

　　石墨烯是一種研究性極強的多用途物質(zhì)，是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，只有一個碳原子的厚度。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

　　石墨烯是由碳六元環(huán)組成的二維(2D)周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)， 是目前最理想的二維納米材料。

　　石墨烯是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，具有透明、導(dǎo)電性強、可彎折、機械強度好等特征，可以被無線拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，還可以抵抗很高的壓力，它可以像鉆戒一樣堅韌，比鋼鐵強200倍，又像橡膠一樣堅韌。

　　石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家Andre Geim和Kostya Novoselov發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從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，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

　　石墨烯有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。自從2004年第一次被成功制造出來之后，就被科技界看好，認(rèn)為它是一種顛覆性的全新材料，因其優(yōu)異的特性，許多人認(rèn)為21世紀(jì)將成為“石墨烯時代”。

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院金屬研究所研究院成會明認(rèn)為，石墨烯的導(dǎo)電率很高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種用于移動電池、電源很理想的電極材料。可以和電子元件、電子設(shè)備進一步結(jié)合，以增強其它儲電設(shè)備的儲電率。

　　石墨烯的另一個神奇之處在于“零滲透”——所有氣體、液體都無法滲透，有著“針插不進，水潑不進”的本事。比如，給船體涂上石墨烯涂層，海水中重金屬離子等就無法穿透這層薄膜去腐蝕船體。

　　讓人感到驚奇的遠(yuǎn)不止這些。石墨烯具有很強的吸附性，科學(xué)家正在研究用它做過濾裝置，用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域。它幾乎又是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產(chǎn)品原料。

　　●當(dāng)石墨烯遇到3D打印

　　盡管目前大多數(shù)桌面級3D打印機都僅限于塑料線材，但許多制造專家都認(rèn)為，3D打印技術(shù)更多的創(chuàng)造潛力蘊藏在范圍更廣的其他材料和應(yīng)用特征上，比如我們現(xiàn)在討論的石墨烯材料。

　　2016年2月9日，美國Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）和加州大學(xué)Santa Cruz分校的科學(xué)家們宣布，他們首次使用超輕的石墨烯凝膠3D打印出超級電容，從而為產(chǎn)品設(shè)計師更加自由、不受設(shè)計限制地將高效能源存儲系統(tǒng)用于智能手機、可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、電動汽車和無線傳感器打開了大門。

　　據(jù)了解，LLNL的研究團隊使用了一種被稱為直接油墨書寫（direct-ink writing）的3D打印工藝和該實驗室自己設(shè)計的氧化石墨烯復(fù)合油墨來打印微結(jié)構(gòu)，制造出可以保留能量的超級電容，比當(dāng)前使用電極制造的同類電容薄10到100倍。

　　這種石墨烯“線材”能夠通過擠出頭3D打印微結(jié)構(gòu)，一旦3D打印成指定的結(jié)構(gòu)之后，這個石墨烯對象還需要進行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性，在此之后，這些3D打印的對象就可以用于各種處理，并仍會保持其石墨烯的性質(zhì)。

　　2016年1月28日，該成果發(fā)表在《Nano Letters》雜志上，這項技術(shù)突破了2D制造的限制，用它可制造出各種各樣復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，這項技術(shù)可使我們在智能手機里為能量存儲系統(tǒng)留下一個很小的空間即可。這種超級電容器的充電速度非常快，理論上只需要幾分鐘或者幾秒鐘即可完成充滿電量。

　　關(guān)于3D打印技術(shù)與石墨烯的結(jié)合，另一個值得關(guān)注的事件就是：2015年11月23日，知名3D打印材料公司Graphene 3D Lab通過其電子商務(wù)網(wǎng)站向外界宣布推出新型3D打印材料Graphene Flex Foam（石墨烯柔性泡沫）。

　　Graphene Flex Foam是一種多層獨立式柔性石墨烯泡沫，它將導(dǎo)電性彈性復(fù)合材料與超輕的石墨烯泡沫結(jié)合在了一起。這種泡沫，實際上是具有高導(dǎo)電性的三維化學(xué)氣相沉積（CVD），與復(fù)合材料結(jié)合，從而具備了石墨烯的多個優(yōu)良屬性。作為一種柔軟的泡沫，該材料具備重量輕、可重構(gòu)，具有多孔結(jié)構(gòu)，而且易于使用和處理等特點。

　　Graphene Flex Foam是在離子電池的電極制造中優(yōu)質(zhì)的基本材料，非常適合用于穿戴電子產(chǎn)品，這是因為電子器件、傳感器和導(dǎo)線等都非常需要通過這種柔性的可穿戴材料來實現(xiàn)。

　　●前景美好，“烯”望無限

　　作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在觸控屏、半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、光器件、航空、軍工、LED、激光等領(lǐng)域或?qū)硪淮胃锩２贿^，由于售價高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，石墨烯一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其產(chǎn)值至少在萬億以上。如果研發(fā)和應(yīng)用進行得順利的話，也許我們的生活很快就會時時刻刻都需要使用這種材料了。

　　目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)被納入國家戰(zhàn)略布局。《中國制造2025》選擇10大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)重點突破，在首個重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領(lǐng)域之一。此外，“十三五”新能源汽車重點專項，也將石墨烯等新材料列為重點發(fā)展領(lǐng)域。

　　業(yè)界認(rèn)為，有了石墨烯，人類就可以開發(fā)出下一代能源解決方案，如太陽能電池或者幾分鐘即可充滿電的手機電池。一些人甚至大膽猜測，將來全新設(shè)計的3D打印超級電容可以用來創(chuàng)建當(dāng)前很難制造、甚至用其他方法不可能實現(xiàn)的獨特電子產(chǎn)品，比如完全定制的智能手機或者折疊裝置等，其性能也會達(dá)到前所未有的水平。

　　不僅在能源儲存系統(tǒng)，石墨烯在檢測食品毒素、環(huán)境污染、特定病毒和細(xì)菌等方面擁有獨特的優(yōu)勢，例如，將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上可產(chǎn)生一個增強信號，以便高敏感傳感器檢測到毒素，其檢測能力相當(dāng)于普通傳感器的10倍。此外，石墨烯還能用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，如藥物傳送、癌癥治療和生物傳感等，石墨烯擁有許多獨特的屬性，如更大的表面積、生物適應(yīng)性和化學(xué)穩(wěn)定性，這使得石墨烯具有很大的研究潛力，并被寄予厚望。

　　石墨烯新材料應(yīng)用十分廣泛，尤其是石墨烯增強金屬結(jié)構(gòu)材料在下一代飛機研制、航空發(fā)動機高溫部件制造、未來高速飛行器研制等方面具有極高的應(yīng)用價值。目前，C919、B777飛機機身、機翼等結(jié)構(gòu)大量選用了含有石墨烯材料的鋁合金，有助于進一步降低機身結(jié)構(gòu)的重量、提高使用壽命，大幅降低制造成本。

　　有消息稱，西班牙Graphenano與其中國合作伙伴正泰公司最近也推出石墨烯材料的聚合物電池，據(jù)說，這種電池允許電動車連續(xù)行駛800公里，可在幾分鐘內(nèi)充電，電池也可以用作家庭使用，汽車行業(yè)，甚至包括自行車、無人駕駛飛機、心臟起搏器等。公司希望這種電池可在2016年年中實現(xiàn)原型，年底實現(xiàn)商用蓄電池組運行。

　　除了以上這些，媒體鋪天蓋地的報道給我們的印象是，石墨烯改變的還有我們生活的方方面面：如用來生產(chǎn)防水膜億解決全球水資源短缺問題；取代當(dāng)前電子產(chǎn)品中的硅，以更小的體積提供更強的性能。

　　●過度炒作反而是一種傷害

　　筆者發(fā)現(xiàn)，除了不能吃、不能喝、不耐熱之外，似乎石墨烯是個全能兒，以前展會上我們遇見過一些零售的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯護腰，這簡直在降低石墨烯高大上的形象。在中國，人們已經(jīng)可以買到各種各樣的石墨烯產(chǎn)品。新三板上市公司圣泉集團已經(jīng)在市場推出了石墨烯襪子和內(nèi)衣。該公司宣稱，他們在產(chǎn)品中添加了生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維，這是一種全新的智能多功能復(fù)合纖維，具有激活免疫細(xì)胞、防護紫外線、改善微循環(huán)、抗菌抑菌、增溫增陽等特性，還可以除臭。

　　目前國內(nèi)石墨烯市場十分“火熱”，但“火熱”的背后也應(yīng)該看到不足，有的企業(yè)直接將石墨烯當(dāng)作宣傳、銷售的噱頭。現(xiàn)在太多拿著石墨烯應(yīng)用炒概念的，要么是借用石墨烯拉升股票，要么是借用石墨烯概念來給自己的產(chǎn)品吹噓，這些都不是真正科學(xué)意義上的石墨烯。

　　從應(yīng)用的角度上來講，石墨烯目前還在講故事階段，發(fā)展程度只能說是符合預(yù)期，而且在中國，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合度更是低于預(yù)期。清華大學(xué)教授王志華更是在公開場合表態(tài)：“石墨烯用于IC（自發(fā)明集成電路）業(yè)，五年內(nèi)都是一句空話。”要知道，過度的炒作反而是一種傷害。

　　有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，真正走向市場，過程“前景光明，道路曲折”。首先是受限于材料生產(chǎn)，要實現(xiàn)石墨烯商業(yè)化，需要生產(chǎn)出低成本、高品質(zhì)的石墨烯成品。但是，制作出這種石墨烯并非易事，技術(shù)層面上還有很多挑戰(zhàn)，批量化和大尺寸生產(chǎn)都還沒能克服。

　　目前，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前還存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品品質(zhì)待提升、上下游互動不夠等問題。石墨烯行業(yè)缺乏統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對石墨烯的質(zhì)量、制備工藝、檢測設(shè)備和方法等，都沒有科學(xué)統(tǒng)一的說法。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)何去何從，不僅需要國家層面的引導(dǎo)，更需要足夠的時間和足夠的耐心。