在山东高唐超越纺织有限公司，工人正在操作新一代智能纺纱机进行石墨烯纺纱。(新华社)
图为中国研发的全球首款石墨烯柔性屏柔性智能手机，可直接佩戴在手腕上。（资料图片）
有没有这样一种坚韧的薄膜，可以用铅笔尖的承载面支撑大象的重量而不被刺穿？石墨烯可以做到。这种神奇的材料是如何“炼”出来的？《经济日报》记者近日走进“首都科学大讲堂”，为您一探究竟。
近日，在由北京市科协主办、九三学社北京市委特别支持的第667期“首都科学大讲堂”上，中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范和北京石墨烯研究院副院长、石墨烯器件技术研究部主任狄威向公众介绍了2010年获得诺贝尔奖的明星材料石墨烯。
诺贝尔撕掉透明胶带奖。
石墨烯原本存在于自然界中，但很难剥离单层结构。1毫米厚的石墨含有约300万层石墨烯。铅笔轻轻划过纸张，留下的痕迹可能是几层石墨烯——它是一种二维碳材料，由一层碳原子以六边形蜂窝状结构周期性堆叠而成。石墨很早以前就被发现了，但石墨烯直到2004年才被发现。这是因为，早在70年前，理论研究就表明，完美的二维结构晶体不可能在非绝对零度环境下稳定存在。
2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法突破了原有的理论认知。他们从高取向热解石墨上剥离石墨片，然后将石墨片的两面粘在一条特殊的胶带上，撕开胶带将石墨片一分为二。不断地这样做，薄片变得越来越薄，最后得到一个只由一层碳原子组成的薄片——这就是石墨烯。虽然理论上不可能成功，但在实验中已经做好了准备。这一发现立即震惊了科学界，两位发现者共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。
“人们常说石墨烯的诺贝尔奖是用透明胶带撕出来的。事实上，我们不能低估这样一个简单但重要的发现。”刘忠范说，像这两位科学家那样勇于探索和尝试对科学研究来说极其重要。
石墨烯具有许多神奇的特性，因此被称为“新材料之王”:它是最薄的材料，因为它只有一个原子层；它是最坚固的材料，理论上比钢强200倍。它是最好的导电材料，其电导率是银的1.6倍。它是导热性最好的材料，是铜的13倍。
刘忠范介绍，石墨烯是强度最高的材料之一，它还具有良好的韧性，可以弯曲，并具有超强的导热性和导电性，这使其应用前景非常广阔——由于它是透明导电膜，因此可以用作触摸屏；它还可以用作超快集成电路，因为其中的电子运行速度非常快，室温下的电子迁移率比硅材料高10倍；它是一种轻质高强度材料，在航空空航天领域具有非常广阔的应用前景。它的电磁屏蔽特性也可以用来制造隐形飞机和隐形材料…
它还可能产生一些类似于科幻电影场景的酷应用程序。
“石墨烯的凉爽应用是基于其凉爽的材料特性。它具有超高的载流子迁移率，可以使电子跑得非常快。如果说常用的导电材料是行驶在高速公路上的汽车，那么石墨烯就是超跑。”狄威说，这种性能使它可以用作智能夜视眼镜等酷炫设备。
人体可以发出远红外线。由于石墨烯具有超高的载流子迁移率，因此可以快速收集投射在其表面的远红外光产生的电子。通过这种方式，您可以通过佩戴由石墨烯镜片制成的眼镜在夜间看到一切，还可以收集用户本人的血糖和脑电图等生理数据。同时，由于石墨烯是半透明的，它还可以用作显示屏来投影各种信息。当你出行时，它可以即时显示路况、附近酒店、景区和餐厅等服务信息。
石墨烯行业哪家最强？
然而理想是丰满的，现实还是骨感的。你现在在市场上能买到的石墨烯很可能只是石墨。
2018年，一篇论文发表在《先进材料》上，作者之一是石墨烯诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。在这里，研究人员分析了来自美洲、亚洲和欧洲的60家公司的粉末石墨烯样品，发现大多数公司样品中的石墨烯含量低于10%，没有一个样品的石墨烯含量超过50%。
单层石墨烯是实验室产品。石墨烯可以工业化大批量生产多少层？
“从应用的角度来看，普遍的共识是，小于10层就可以称为石墨烯。虽然严格来说，只有单层石墨片是真正的石墨烯，10层以上都是普通和传统的粉末石墨。”刘忠范说。
石墨烯一般分为两类，一类是粉末石墨烯，另一类是薄膜石墨烯。这两类石墨烯的制备方法完全不同，应用领域和场景也完全不同。
在大规模工业制备中，石墨烯粉末一般是通过化学反应剥离石墨层得到的。然而，这种氧化还原方法往往会带来大量的废酸和废水。例如，用浓硫酸和高锰酸钾煮石墨需要50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水才能生产1公斤石墨烯。
具体到薄膜石墨烯的大规模制备方法，最具代表性的是化学气相沉积技术，即在高温炉中通过高温化学反应逐层制备石墨烯。如果在1000摄氏度下将甲烷引入铜箔表面，就可以生成单层石墨烯。
目前我国石墨烯产业现状如何？数据显示，截至今年6月底，在工商部门注册且经营范围包含石墨烯相关业务的企业数量已达1.68万家。中国有29个石墨烯产业园、54个石墨烯研究院、8个石墨烯产业创新中心和12个石墨烯联盟。
从石墨烯领域的论文发表数量来看，中国自2011年以来一直领先全球，目前占全球的三分之一以上。石墨烯领域的专利申请数量也是中国最多，约占全球的70%。我国粉末状石墨烯的产能非常大，每年达到5000吨以上。在薄膜石墨烯的制备方面，中国也处于世界领先地位，年产量约为650万平方米。
“但需要注意的是，与欧美日韩相比，中国石墨烯产业的重心完全不在一个渠道上。国外更注重真正体现石墨烯新材料特性的未来技术研发，中国则重视近期的实用化产品开发。”刘忠范表示，我们对未来核心技术的关注相对较少，但总体而言，中国石墨烯的基础研究和产业化仍处于世界首位。
狄威认为，未来中国的石墨烯产业应该更多地分布到光电器件和传感器等高附加值产业。
什么是“杀手级”应用
目前，石墨烯在哪些领域得到了尝试性应用？
刘忠范介绍，中国石墨烯产业有“三大块”。一个是新能源，石墨烯作为锂离子电池的导电添加剂，使电池充电更快，容量提高；二是添加到防腐漆中，节省防腐漆中昂贵的锌含量，提高防腐性能；第三是大健康领域，如利用其导热性制造眼罩、护膝等理疗产品——三者合计约占中国石墨烯产能的90%。
此外，中国也有高端石墨烯产品，如带有石墨烯触摸屏的石墨烯手机、电池和导热膜。
那么，国际上正在用石墨烯制造哪些产品呢？在2019年的世界移动通信大会上，有一个专门的石墨烯展厅，展示了石墨烯在数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域的应用。例如，石墨烯制成的超灵敏电子传感器可以检测有害气体，石墨烯制成的宽带图像传感器可以同时检测可见光和红外光。
石墨烯几乎无所不能，但目前石墨烯材料应用广泛但不专精。那么，石墨烯未来真正不可替代的杀手级应用是什么？
刘忠范说:“使用‘杀手’意味着你不能离开它。目前，我们仍然没有找到利用石墨烯的‘杀手锏’。”未来可能会从两个方向开始，一个是逻辑推理的运用，另一个是出其不意的运用。
逻辑推理用途是从石墨烯本身的性能推断出的用途。例如，目前的透明导电膜是ITO玻璃，它不具有柔性，并且还含有稀有元素铟。然而，石墨烯薄膜的导热性和导电性非常好，透明且柔韧，并且只含有廉价的碳原子。未来，石墨烯薄膜作为制造可穿戴柔性电子设备的透明导电膜将有光明的前景，它可能成为一种“杀手级”应用。
不合逻辑的意外使用需要研究人员的创造性思维。“例如，我们在蓝宝石上生长石墨烯，并将其与LED结合制成LED照明设备——其他工艺不变，发光效率可以提高30%以上。”刘忠范说，一旦实现产业化，这将是下一代LED节能照明设备，它将完全淘汰现有的照明设备，也属于“杀手级”应用。
“杀手级应用是其他材料无法替代的，因此我们必须基于并放大石墨烯材料的独特优势来探索杀手级应用。”狄威说，从器件的角度来看，石墨烯可以与硅基半导体结合，利用其超高的载流子迁移率生产性能优越的光电探测器、夜视远红外探测器和逻辑电路器件。
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来源:经济日报
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