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石墨烯，一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。其具有著透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性，因此被稱為“奇跡材料”。十年前，石墨烯還不太為人所知，如今，它的巨大潛力引發(fā)了無限的遐想。
我們在日常生活中常常會用到石墨，例如鉛筆芯;然而，從中分離出來的石墨烯，卻像是科幻電影里取出來的那般神奇。這項從鉛筆芯中得來的發(fā)現(xiàn)，為它的發(fā)現(xiàn)者帶來了諾貝爾物理學(xué)獎，而按照《紐約時報》的說法，石墨烯“具備顛覆當(dāng)前所有電子設(shè)備的潛質(zhì)，是材料的未來和電子行業(yè)的救命稻草”。
透明膠帶粘出的發(fā)現(xiàn)
2004年，物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫正在一張涂滿鉛筆筆跡的紙上，用透明膠帶粘來粘去。
這兩個人偶然意識到，他們可以強行將性狀類似鉛筆芯的石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后利用普通膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，在不斷重復(fù)這一過程中得到越來越薄的石墨薄片，最后制成由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。
靠這種“粘取”，他們剝離出了石墨烯，隨后發(fā)現(xiàn)，石墨烯原子所獨具的、像一張鐵絲網(wǎng)似的六角形陣列排列方式，有潛力成為新型材料。它由碳原子以特殊結(jié)構(gòu)排列而成，比其他任何材料都具備更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性。更令人稱奇的是，它不僅是世界上最硬的材料，而且柔韌性也最強。
“石墨烯是世界上為數(shù)不多同時具備透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性的材料。”有專家宣稱，“這三種屬性很少能在同一個材料上出現(xiàn)。”厚度只有一層碳原子的石墨烯因此被稱為“奇跡材料”。
2010年，諾貝爾物理學(xué)獎的至高榮譽由安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，因“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”而共享。評審委員會認(rèn)為，它“有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破”。
石墨烯能做什么?
雖然石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn)，然而它在2010年兩位研究者獲得諾貝爾物理學(xué)獎后，才真正獲得關(guān)注，研究人員和大公司開始集中精力研究如何商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯，與石墨烯相關(guān)的應(yīng)用性研究已初現(xiàn)成果。
物理學(xué)家和研究人員表示，由于石墨烯可以讓電子產(chǎn)品的屏幕更清晰且具備柔性特質(zhì)，這些產(chǎn)品將比以往采用硅材料的設(shè)備更薄、更快、更便宜。另外，續(xù)航時間長的電池也可具備防水性能。
2011年，美國西北大學(xué)的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學(xué)表示這種電池可以讓手機“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。
2012年，美國化學(xué)學(xué)會表示，石墨烯技術(shù)進步將使得“手機薄如紙張，能夠折疊裝入口袋”。媒體稱研究人員正基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。
不久前，與韓國成均館大學(xué)合作的三星尖端技術(shù)研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術(shù)進步意味著公司可以開始制造“柔性顯示屏、可穿戴產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)品”。有論者指出，三星的突破最終將成為“石墨烯商業(yè)化的救命稻草”。而三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、諾基亞和SanDisk公司的研究人員都在嘗試用石墨烯材料創(chuàng)造新型傳感器、晶體管和存儲器。
石墨烯最大的優(yōu)勢是價格便宜。當(dāng)今電子行業(yè)的很多產(chǎn)品都能利用石墨烯而變得更好、更小、更便宜。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家去年制造了一款石墨烯揚聲器，音質(zhì)等同于甚至好于森海塞爾耳機，體型更小。石墨烯迷人的地方還在于，它可浸入液體不被氧化，這一點與其他導(dǎo)電材料完全不同。研究者表示，石墨烯研究正在向讓電子產(chǎn)品與生物系統(tǒng)融合的方向轉(zhuǎn)變。換句話說，未來石墨烯產(chǎn)品可以植入你的身體中，讀取神經(jīng)系統(tǒng)信息或同細(xì)胞對話。
取代無所不在的硅
目前來看，取代無所不在的硅，是石墨烯最具商業(yè)前景的用途。
傳統(tǒng)的集成電路晶體管是由硅制成的，著名的摩爾定律在上世紀(jì)70年代預(yù)言，晶體管的性能每兩年就能提高一倍。但近年來這一著名預(yù)言卻遭到科學(xué)家們越來越多的質(zhì)疑，因為晶體管的尺寸不斷縮小，集成度越來越接近它的物理極限。晶體管的微型化造成的元件升溫，也使其性能大打折扣--電子設(shè)備的溫度每升高10度，壽命就會折損一半。
而石墨烯材料制成的芯片，則有可能使元件的溫度保持在較低水平，從而進一步推進電子設(shè)備的微型化。電子產(chǎn)業(yè)甚至認(rèn)為，石墨烯日后能取代無處不在的硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命。
在國外，石墨烯材料的研發(fā)受到高度重視。2013年1月，歐盟委員會宣布將石墨烯和人腦工程兩大科技入選“未來新興旗艦技術(shù)項目”，并分別設(shè)立專項研發(fā)計劃，每項計劃將在未來10年內(nèi)分別獲得10億歐元的經(jīng)費。在我國，石墨烯材料的奇異特性，也逐漸引起政府、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視。2012年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中的前沿新材料，就包含石墨烯;科技部也明確表態(tài)將支持石墨烯材料的研究。
我國石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，但發(fā)展較快。2013年7月13日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立。同時，江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中科院等機構(gòu)以多種形式協(xié)同創(chuàng)新，紛紛建立了產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，促進了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進程。
有待實現(xiàn)的承諾
當(dāng)石墨烯真正擺到商店貨架時，它們的外形和體驗可能是我們從未見過的。
自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，研究人士一致努力開發(fā)這種材料的商業(yè)用途，如替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域，制造鋰離子電池負(fù)極材料以及超級電容器，制造可彎曲觸摸屏等。
如今，研究的重心轉(zhuǎn)向了石墨烯與其他金屬的結(jié)合應(yīng)用。以太陽能研發(fā)為例，美國麻省理工學(xué)院就構(gòu)想了一種新型光伏電池，由石墨烯與二硫化鉬結(jié)合制成。與當(dāng)下最小的光伏電池相比，這種新型光伏電池每單位體積的發(fā)電能力可高出30倍?？茖W(xué)家目前正在研究如何結(jié)合石墨烯與硫族化合物形成新的材料，用于制造能夠發(fā)電的外涂層。
然而，科學(xué)家眼中并沒有所謂的奇跡。石墨烯的工業(yè)化也無法一蹴而就。目前，石墨稀的造價仍然較高;而且，在某些情況下，它的性能并不如硅。與此同時，它微量的毒性也還沒有得到充分的考量。更關(guān)鍵的是，整個行業(yè)都在使用傳統(tǒng)硅芯片和晶體管制造電子產(chǎn)品，大企業(yè)這些接納石墨烯速度可能很緩慢。
石墨烯要走的路還很長。
