董昱含，朱荣秀

1山东大学基础医学院，济南 250102

2山东大学化学与化工学院，济南 250100

石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化碳原子形成的六元碳环紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构的新材料，厚度只有0.3354 nm，是目前世界上发现的最薄的材料之一。因具有独特的电学性能、力学性能、光学性能、热性能和高比表面积，石墨烯被广泛应用在能源、机械、电子、医学等领域。石墨烯的合成方法主要是剥离石墨法和直接生长法。目前，使用较为广泛的剥离法是氧化还原法、液相剥离法以及电化学剥离法[1]。

2022年，北京这座“双奥之城”开启了冰雪新篇章。冬奥地标拔地而起，从蓝图变为现实；工业遗址与冬奥场馆珠璧交辉，“冰丝带”轻盈飘逸，“雪如意”蜿蜒灵动，“雪游龙”磅礴飞腾……背好行囊，踏着满地霜雪，石墨烯满怀着期待来到了北京冬奥会现场。

1 入场身份核验——石墨烯的结构、性质和应用

由于新冠肺炎还在作祟，石墨烯听从安排乖乖地戴好口罩，不给Covid-19以可乘之机。在出示健康码后，石墨烯走向了冬奥会场馆前闸机。面对着眼前的屏幕，还没等他摘下口罩，这台神奇的大机器就报出了石墨烯的身份信息，让他不得不惊叹于当代中国科技的发达。

和石墨烯一样惊奇的，还有一位美国的单板滑雪运动员。看着天南海北的人经闸机进入场馆，这位运动员感叹道：“这有一台机器能认出你是谁，这儿会出现你的照片，你戴着帽子、口罩，它还是能认出你……”石墨烯发现了这位小哥，交朋友的兴致一下子涌了上来，跑到人家面前就开始了自我介绍。

“嗨，你好！我是石墨烯，你可以叫我Graphene。我呀，和石墨很像，不过我是一种以sp²杂化碳原子形成的六元环紧密排列形成的单层二维蜂窝状网格结构的新材料(图1)，具有优异的光学、电学、力学和化学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等领域具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料[2]。我作为一种新型纳米材料，在迁移率、导热导电性、机械强度等考核中也取得了优异成绩[3]……哦，对了，你叫什么呀？”石墨烯突然意识到应该让对方也说说话，不好意思地笑了笑。小哥笑眯眯地看着石墨烯，说：“我叫肖恩，是一名单板滑雪运动员。你参加什么项目呀？”石墨烯一拍肚子，十分骄傲：“我石墨烯啊，参与的项目可多了！”

“我可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨[4](图1)。独特的结构赋予了我优异的性能，我不仅是目前为止导热系数最高的材料，而且我的电子迁移率受温度变化的影响较小，在通电后将电能高效转化为热能，具有优良的保暖功能[5]。我是一种既‘高大上’又接地气的新材料，在这届奥运会我可是发挥了不小的作用呢！”短暂的寒暄后，石墨烯和小哥告了别，各自走向各自的场地。

图1 碳的各种同素异形体的晶体结构[4]

2 场地设施——石墨烯助阵场地保暖

早在2020年，鸟巢体育场部分观礼区精准加热保障项目就已经启动。我石墨烯积极参与了该项目材料的选拔，在电热领域表现卓越。通电后，我能将电能高效转化为热能并辐射远红外线，其中电热转换效率达90%以上，这与我本身的结构密切相关。

我石墨烯的碳原子是采用sp2杂化，相邻碳原子未杂化的p轨道“肩并肩”平行重叠形成π键，π电子可自由移动。当通入电流时，我石墨烯内部电子在电场作用下产生定向移动，在这个过程中电子与碳原子产生碰撞而发热，实现电热转化[6]，产生热能向外以波长为5-15 μm的远红外辐照能量。另外，石墨烯和氧化石墨烯本身在1620 cm-1、3000-3700 cm-1范围内、1720 cm-1和1062 cm-1处均有红外吸收，它们分别对应C＝C、OH、C＝O、C-O-C等基团的伸缩振动峰(图2)。吸收的光能转化为热能，实现光热转化，其中在1062 cm-1处远红外释放能量较高。医学研究表明，人体对8-14 μm的远红外线吸收作用最强[7]，这些红外线被人体接收，就可以起到智能加热的效果了。

图2 氧化石墨烯的结构

见识了我石墨烯高超本领，冬奥组委及国家体育场相关专家从“安全、高效节能、舒适”三个维度综合考量，经过一年多的深入调研及比较，最终选定我作为柔性热管理技术方案的最佳男主角。作为世界上最薄、最坚硬、导电导热性能最好的“新材料之王”[5]——我石墨烯可称得上是“冬奥第一暖男”！

“这可是我首次亮相奥运场馆哦！你可以在鸟巢体育场部分观礼区的桌子、椅子和沙发的内部发现我的踪迹，通过控制系统的启动和调节按钮，我的温度可以选择47、37和30 °C三个挡位；观礼部分区域地毯的发热也有我的一份力量，正因有我的参与，即使鸟巢环境温度为-5 °C，地毯表面温度仍可保持在20 °C[3]。我真是名副其实的暖男呢！”

“还有啊，我既能快速升温和进行热传导，担负热保障的重任，还不会给电力系统带来额外负担呢！我的耗电只占鸟巢整体电力负荷的0.098%，这对观礼区域精准速升温和热传导，担负热保障的重任，还加热控制可是非常关键的[3]！”

石墨烯走在观礼区，一边细数着自己参与建设的场地设施，一边自我陶醉着。

3 开幕式——火炬中石墨烯碳纤维的“冰火交融”

冰雪与中国相遇，科技与美学碰撞出别样的精彩。滚滚东流凝结形成冰立方，科技的利刃在其上雕刻出冬奥历史之花。奥运五环破冰而起，大年初四的鸟巢上空激荡着绚烂花火，冬奥火炬“飞扬”亮相，吸引了全世界的目光。

熊熊圣火照亮神州大地，映在“暖男”石墨烯乌亮乌亮的眼睛里。“这火炬外壳之所以耐火耐高温且能在极寒天气下使用，也有我的一份绵薄之力呢。不过啊，这可不是我自己的功劳，我和我的高性能树脂兄弟共同参与了‘飞扬’的碳纤维复合材料的制作。这种材料的密度只有钢的四分之一，但强度却是钢的7-9倍[8]，通过三维编织，火炬外壳这才受得了冰火两重天。火炬燃烧罐也主要以这种碳纤维复合材料做成，所以具有‘轻、固、美’的优点。”

4 现场直击——石墨烯电池保证设备正常运行

比赛正式开始，奥运健儿们在冰天雪地中尽情施展自己的才能，用矫健的身姿诠释着“更快、更高、更强”的奥林匹克格言。且看短道速滑“利刃”出鞘，花样滑冰惊艳四座，游龙雪车上演“速度与激情”，跳台滑雪“扶摇直上九万里”……

在场上运动员活力迸发、场外观众呼声高涨的同时，“暖男”石墨烯也没闲着。

“其实啊，转播背包、对讲机、手机等设备在低温环境下是无法正常工作的。那么，猜猜看，在这样的冰天雪地里，现场的工作人员是怎样实时通讯，地球村的各个角落又是怎样观看到高清直播的呢？当然是因为我石墨烯在其中付出的努力！”石墨烯骄傲地拍拍胸脯，“除了有加热的本领，我还有独家秘密武器——石墨烯低温电池！”

“低温环境下，普通的电池电解液活性会降低，电池内电阻特别是固液膜电阻增大，这就会导致充电放电效率降低[9]，当充电放电效率低至一定水平，无法保证设备们的用电需求，它们可就要罢工了。但是咱石墨烯低温电池可就不一样咯！虽然说，随着温度降低，石墨烯低温电池恒流充电过程缩短而恒压充电过程增加，也会导致电池充电时间延长且充电后的荷电状态(SOC)难以达到100%，也就是说电池充完电后继续工作的能力不能完全发挥出来。不过在像冬奥会现场这样-20 °C的低温环境中时，普通的锂电池SOC只能控制在65%左右，而石墨烯电池SOC却能达到94%，并且其充放电次数可达3500次[10]。有了充电放电效率较高的石墨烯低温电池秘密武器，加上我自身的加热能力，就能瞬间产生50 °C的温升[11]，再在背包中加入石墨烯材料，即使环境温度在-20 °C，设备也能够正常使用的。”石墨烯嘻嘻一笑，又说：“有我这个暖男在，怎么会让设备们受冻呢？暖男，就要细致体贴，给大家带来温暖嘛！”

值得一提的是，“5G + 4K/8K超高清云转播”是北京科技冬奥重点项目之一，石墨烯也是在本届冬奥会首次加入到5G云转播背包(图3)的制作当中。配置有石墨烯自发热保温套的云转播背包，可以更好适应冬奥会赛场的严寒环境，让精彩绝伦的比赛现场直播走入千家万户。中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人陈利军介绍道：“使用石墨烯的云转播背包一直裸露在空气中，所以就要用特殊的低温电池来给它供电。工作人员可以调节温度档位，大概能供热8个小时[11]。”

图3 石墨烯云转播背包

“我不仅可以有效提高现有电池的容量及环境耐受性，电池容量小、低温放电容量低甚至不放电等问题在我这里也是小菜一碟。”正是因为石墨烯的积极参与，冬奥会现场的各项工作才得以顺利开展。

5 颁奖仪式——石墨烯与礼服的保暖功效

经过一系列激烈的比拼，冬奥会的赛程终于走到了尾声。“瑞雪祥云见盛时”，石墨烯坐在台下轻轻吟咏着诗句，欣赏着颁奖礼仪服“瑞雪祥云”“鸿运山水”和“唐花飞雪”(图4)[12]。

图4 冬奥会颁奖礼仪服[12]

“这些颁奖礼仪服装不仅外观典雅大方，还能抗-30 °C低温，我可是功不可没！因为它的内胆有特意添加的由我参与的全球领先工艺的石墨烯纺织物柔性发热材料‘艾弗(AIHF)’。这是一种发热效能卓越、能量可高效转化的新型材料[13]，是我和碳纳米管分散液合作完成的一块能够发热的‘布’。除了出色的热传导性能，这一新型材料和普通布料一样，也具有柔软、轻薄舒适、耐水洗和耐用等优点，也就是说，将它反复水洗、揉搓和剪裁，其性能丝毫不会有所衰减。”石墨烯挠挠头，“总而言之，有我石墨烯在，一定保证姑娘们暖暖和和的，绝对不辜负‘暖男’的称号！”

石墨烯又神秘一笑：“知道我是怎么履行‘暖男’职责的吗？听我细细道来。”

“首先我被从石墨中剥离出来，形成只有一个碳原子厚度的平面薄膜。然后被附着在绝热基底上面，在我石墨烯薄膜两端镀以银电极，将服装材料覆于我石墨烯薄膜之上。在薄膜两端施加交流电，我的薄膜表面就产生热量，经过热传导至人体体表完成加热功能；通电导线和薄膜电极使用薄印刷电路板PCB (Printed Circuit Board)连接，使导线与电极完全接触，保证电路畅通。在绝缘基底和PCB板的共同作用下，热量就不会向外界传导了(图5)[14]。”

图5 石墨烯薄膜发热智能服装模型[14]

“除了奥运礼服，奥运工作人员及志愿者带的围巾、马甲、手套等也有我石墨烯柔性发热材料的成分！在极寒环境下，只要人们需要，我石墨烯材料就能迅速产生热量，为保暖提供保障。”“正是我石墨烯的参与,冬奥会才得以顺利举办。”石墨烯非常自豪地说。

“千万雪花，竞相开放，万千你我，汇聚成一个家。”石墨烯和孩子们一起齐唱主题歌《雪花》，纯洁稚嫩的歌声久久回荡在明月星辰间。随着奥林匹克主火炬缓缓熄灭，各代表团旗帜亮起，空中出现一个巨大的焰火光环，点亮了“世界大同，天下一家”的主题和“更团结”的奥林匹克精神，也在“黑科技”的助力下为本届冬奥会画上一个成功圆满的句号。“暖男”石墨烯助力“科技冬奥”留住温暖, 一起向未来。

“相信不久的将来，我将会走入寻常百姓家，做万家灯火的暖男，去温暖人间，铸就幸福的世界！”告别冬奥，石墨烯又踏上了新的“暖男修炼之路”……