■ 陆　鸣

石墨烯的魅惑

■ 陆鸣

惊艳

石墨烯（Graphene）又称单层石墨片，是由一层排列在六角型（蜂巢晶格状）上的碳原子所构成的薄膜，也是当前唯一发现的二维自由态原子晶体。由于特殊的微观结构，它的柔韧性和坚固性令人难以置信：比钢铁强韧200倍，可以弯曲到很大角度而不断裂。美国工程专家杰弗雷·基萨教授曾用一种形象的方法解释石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上才能办到。

石墨烯微观结构示意图

2014年12月，西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学宣布合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电能力是目前市场最好产品的3倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。

2015年12月，学术期刊《科学》发表了中科院上海硅酸盐研究所研制出的一种新型氮掺杂有序介孔石墨烯超级电容器电极材料的重要研究成果，其电化学储能特性极佳，可用作电动车的“超强电池”——充电只需7秒钟即可续航35公里。这使传统的机动车燃料——汽（柴）油面临着巨大的挑战。

今年4月，一款可以弯曲的智能石墨烯柔性屏手机在重庆面世，也是全球首款石墨烯柔性屏可弯曲智能手机。这款石墨烯柔性屏手机屏幕有5.2英寸大，重量只有200多克，可以弯曲成一个圆环，像手表一样戴在手腕上。

目前，石墨烯在国际材料界风头正盛，已有40多家企业与英国曼彻斯特大学的235名研究人员合作开展石墨烯和相关二维材料的研究。

揭秘

2004年，曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），在实验室找到了一种从石墨中简单分离出石墨烯的方法，证实了石墨烯可以单独存在。他们还在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，这给石墨烯的应用提供了许多新的途径。正是因为这一突出贡献，两位科学家被授予2010年度诺贝尔物理学奖。

从化学成分看，石墨烯与钻石一样，本质都是碳。由于石墨烯的单层碳原子之间相互连接成稳定的六角网格（很多研究已经证明，将网格点排列成六角网格的形式是一种最佳排列），所以它既柔韧又坚固。同时还具有导电性高、韧度高、强度大、比表面积超大等优点。（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）、氧化—还原法、溶剂剥离法4种，此外还有溶剂热法、高温还原法、光照还原法、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。

用气相沉积法和物理的撕胶带方法得到的石墨烯，缺陷少、质量高，缺点是产量少、成本高。而通过化学法还原得到的石墨烯其实是还原的石墨烯氧化物（Reduced Graphene Oxide，即RGO），石墨片层数目不等（如单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯等），产品表面有一些基团（比如羟基、羧基等，数量视还原程度而定），表面或多或少有一些缺陷。目前市场上所谓的石墨烯多是氧化石墨烯，其在导电性、导热性和机械性方面都与石墨烯相差很大，并不是真正意义上的“石墨烯”。

应用

石墨烯被认为是当前唯一发现的二维自由态原子晶体，只有一个碳原子的厚度。如何理解这一薄度呢？1毫米厚的石墨薄片中能剥离出300万层石墨烯！这种一层原子的厚度使得石墨烯在可见光下呈透明但又不透气的状态，其电子运动被限制在同一平面，这让石墨烯具备了全新的电学属性，在触摸屏、传感器、蓄电池等领域的应用让人充满想象。

石墨烯用途虽广，但对它的工业前途应谨慎乐观。因为所有的材料都有其适用范围，比如钢坚硬但沉重，木头轻便却易腐。

首先限制石墨烯应用的就是它的制作方法。国际上对石墨烯的定义是1～2层的纳米片（nanosheet），是一种单质存在形式，并且只有不存在任何缺陷的石墨烯才具备这些完美特性。理论上讲，只要能把铅笔芯（用石墨粉末和黏土混合后烘干制成）分离得足够薄就能得到石墨烯。但是，从铅笔芯里提取出石墨烯并不是那么简单。实际生产的石墨烯多为多层，不仅表面存在缺陷，而且导电性、导热性和机械性方面都与真正的石墨烯相差很大。

目前，石墨烯和石墨烯电池的研发更多地停留在实验室阶段。即便是投入到工业生产中，也有人质疑石墨烯电池的说法不够严谨。实际上，石墨烯在锂离子电池加工过程中可以直接发挥作用的领域只有两个——负极材料和导电添加剂。但石墨烯的振实和压实密度都非常低，成本昂贵，无法单独直接用作锂离子电池负极。

前途制作

生产石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法

当然，随着批量化生产和大尺寸难题的逐步突破，石墨烯产业化步伐正在加快，国内外相关机构的科研投入也在上升。科学家预计，未来5～10年石墨烯研究会有很大发展，超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、高强度航空材料，甚至更富想象力的太空电梯等研发项目将在相关领域引发革命性的变化，并带动价值数万亿美元新兴产业链的发展。