付冰冰

2018年12月18日，世界顶级学术期刊《自然》杂志发布了2018年度十大科学人物榜单，来自中国的麻省理工学院博士曹原凭借两篇以第一作者署名的石墨烯论文位居该榜榜首。曹原在实验中发现，当两层平行石墨烯堆成约1.1°的角度时，会产生超导效应。尽管该实验仍需严苛的特定条件，但曹原的研究成果仍令科学界为之振奋。《日本经济新闻》将曹原称为“石墨烯的驾驭者”，并认为他的发现开创了物理学的全新研究领域，有望提高能源利用效率与传输效率。

“十大科学人物的故事集中展示了2018年度最难忘的科学实践，这些实践迫使我们思考我们是谁，从哪里来，以及我们要去向何处的难题。”《自然》特稿版主编里奇·蒙拿斯特斯基如此表示。

一条胶带打开了材料新世界

石墨烯于15年前在英国被发现，来自英国曼彻斯特大学的两位教授安德烈·盖姆和克斯特亚·诺沃消洛夫使用一种特殊胶带，将三维的石墨薄片一分为二。通过近三十次重复操作，二人得到了仅由一层碳原子构成的二维石墨薄片，当这种薄片的厚度在原子显微镜下仅为三百万分之一毫米时，石墨烯就此成为第一种被人类发现的二维晶体。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。科学家经过深入研究发现，石墨烯拥有高硬度、高柔韧度的特性。它比钻石更坚硬，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它具有极好的透光性使得它的导电性能被寄予厚望。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。在电子和原子的碰撞作用下，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，普通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，这使它具有了非比寻常的优良特性。

石墨烯对物理学基础研究有着更深层的特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的物理性质。

在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性;加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。

石墨烯产业多领域崭露头角

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。

另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也很突出。

美国NASA宇航局开发的应用于航天领域的石墨烯传感器，能够很好地对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。

美国俄亥俄州的一家仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。

微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是平版印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。以后只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。

聚焦世界目光的石墨烯

正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。

欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划。

英国政府也投资建立国家石墨烯研究所（NGI），力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

韩国研究人员在硅基底上成功合成了晶片级的高质量多层石墨烯。该方法基于一种离子注入技术，简单而且可升级，这一成果使石墨烯离商业应用更近一步。

美国普渡大学正在研究通过新的、更加简单的方式制造纳米电极材料的工艺。该大学的研究表明，在电池中使用纳米材料，将会增加电池的充电容量和充放电速度。

韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得成功，锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。

2015年9月2日，据日本的科学技术振兴机构（JST）与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究机构（AIMR）发表，在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中，通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料，获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池，则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500公里—600公里左右。

从石墨烯中探索未来世界

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，且价格低廉。2015年10月，习近平总书记访英期间，华为与英国曼彻斯特大学共同宣布将在石墨烯领域展开研究。习近平总书记在参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时指出，在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下，新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导。中国是石墨资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。中英在石墨烯研究领域完全可实现“强强联合”。

在科研成果转化的过程中，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。

2015年03月02日，全球首批3万部石墨烯手机在重庆发布，该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜，核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。

2015年5月，南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。这种电池以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，以金属锂作负极，吸收空气中的二氧化碳释放能量。

2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太陽光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。该研究成果令“光动”飞行成为可能。