石墨烯柔性透明鍵盤 新華社發

　　石墨烯發熱羽絨馬甲和石墨烯發熱圍巾。新華社發

　　6月6日是國際石墨烯日。在這一天，關(guan) 於(yu) 石墨烯的研究與(yu) 應用再次成為(wei) 科學界討論的熱點。作為(wei) 目前世界上已知最薄、最強、導電導熱性能最高的一種新型納米材料，石墨烯的發展前景被眾(zhong) 多科學家所看好，石墨烯也因此被稱為(wei) “黑金”。正如諾貝爾物理學獎得主弗蘭(lan) 克·維爾澤克所說，石墨烯可能是唯一一個(ge) 從(cong) 量子理論到應用的實例。

　　石墨烯是如何被發現的？應用前景如何？從(cong) 研究到應用，我們(men) 還要越過哪些障礙？

　　1、發現石墨烯：顛覆了物理學界傳(chuan) 統思維定式

　　我們(men) 經常談及的“石墨烯”，究竟是什麽(me) ？

　　“石墨跟石墨烯隻有一字之差，實際上，嚴(yan) 格意義(yi) 上的石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來，壘到足夠厚就可以得到石墨。而把石墨一層一層地剝下來，剝出的單層就是石墨烯。”根據北京大學化學與(yu) 分子工程學院教授彭海琳的描述，石墨烯就是一種純碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二維材料，其形狀表現為(wei) 碳原子構成的蜂窩狀、六角形結構的二維平麵。

　　石墨烯曾一度被認為(wei) 是一種假設性結構，無法單獨穩定存在。北京理工大學化學與(yu) 化工學院特別研究員趙揚介紹，改變發生在2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等人首次成功利用微機械剝離法從(cong) 石墨中分離得到石墨烯，顛覆了物理學界“二維原子晶體(ti) 不可能在有限溫度下穩定存在”的傳(chuan) 統思維定式，兩(liang) 人也因“二維石墨烯材料的開創性實驗”而獲得2010年諾貝爾物理學獎。

　　“雖然這次發現意義(yi) 非凡，但其采用的製備方法卻很簡單——利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨，把有黏性的一麵對折，再把膠帶撕開，石墨薄片就會(hui) 被一分為(wei) 二。”彭海琳告訴記者，不斷重複這個(ge) 解離過程，石墨片就會(hui) 越來越薄，最終得到隻有一層碳原子厚度的二維晶體(ti) 材料石墨烯。當然，現在製備石墨烯的方法更多了——經過數年發展，科研人員發現了更多製備石墨烯的方法，這種新材料由此進入工業(ye) 化生產(chan) 領域。

　　2、探索石墨烯：很大程度改變人類生活

　　石墨烯，能用來幹什麽(me) ？

　　“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最堅硬、導電性最好的納米材料，幾乎完全透明，具有很大的應用前景，可以應用到儲(chu) 能、醫療、電子等各個(ge) 領域。”趙揚舉(ju) 例說，石墨烯由於(yu) 其高導電性、良好的電容性能和散熱性能等，被廣泛應用於(yu) 電容器、電池的電極材料中。其高導電性還尤其適合於(yu) 高頻電路，因此石墨烯有望成為(wei) 矽的替代品，進而提升未來計算機的運行速度，減少能耗。

　　南開大學物理科學學院教授蔡衛補充說，石墨烯能替代活性炭等，提高儲(chu) 能器件的容量與(yu) 效率。“石墨烯複合材料有望取代傳(chuan) 統的碳纖維，用於(yu) 製造更加輕型的飛機和航天器等。具體(ti) 到光學領域，石墨烯目前的應用方向包括柔性透明電極、光伏器件、光源、光探測器、超快激光器、光頻轉換器及太赫茲(zi) 器件等。”

　　“更值得一提的是，石墨烯可以用來做柔性觸摸屏、觸控屏。目前，市場上一般是用ITO（氧化銦錫）玻璃做觸摸屏，ITO玻璃比較脆，不能來回彎折。而石墨烯的柔性特質則決(jue) 定其可以來回掰。”彭海琳說。

　　蔡衛表示，石墨烯的廣泛應用將很大程度上改變我們(men) 目前的生活，提供一個(ge) 信息溝通更通暢、生活更加便利及更加環保的生活環境。

　　3、研究石墨烯：不能囿於(yu) 低端應用，要關(guan) 注未來核心技術

　　“目前，我們(men) 對石墨烯的研究主要集中在三個(ge) 方麵：一是石墨烯及其複合材料的製備與(yu) 其性能研究；二是基於(yu) 石墨烯的基礎物理研究，如量子物理、極化激元物理等；三是石墨烯光電子器件及其應用等。”蔡衛介紹，目前，石墨烯研究逐漸走出實驗室，如2020年5月，華為(wei) 發布的國內(nei) 首款5G平板華為(wei) MatePadPro5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術，總厚度達到400微米。

　　但從(cong) 研究到應用，石墨烯還要越過諸多障礙。

　　趙揚說，“現階段，若想將石墨烯直接應用到實際還存在一些困難，主要原因在於(yu) 石墨烯的生產(chan) 工藝還不太成熟，導致石墨烯價(jia) 格較高、質量差、產(chan) 量少。雖然很多公司的產(chan) 業(ye) 化正在緊鑼密鼓進行，部分石墨烯產(chan) 品也已推向市場，但石墨烯還無法滿足高質量生產(chan) 和大批量應用的需求。”

　　彭海琳從(cong) 國內(nei) 實際情況出發，給記者列舉(ju) 了一係列數字——據統計，從(cong) 2011年起，我國關(guan) 於(yu) 石墨烯的文章數量已經位居世界第一，接近六萬(wan) 篇，遠遠超過第二名美國的兩(liang) 萬(wan) 多篇；我國申請的石墨烯專(zhuan) 利占了全球的54%以上，也是遙遙領先。目前，我國涉及石墨烯業(ye) 務的公司已超5000家，並且呈現迅速增加之勢。

　　但數字背後也隱藏著危機。“我國石墨烯研究與(yu) 國外不完全在一個(ge) 頻道上。”彭海琳坦陳，“我們(men) 更關(guan) 注馬上能賺到錢的商品。我們(men) 有七百多家石墨烯塗料企業(ye) ，還有眾(zhong) 多的石墨烯電熱器和大健康企業(ye) ，以及越來越多的石墨烯內(nei) 衣、石墨烯襪子、石墨烯護腰、石墨烯口罩等。反觀國外，他們(men) 更多關(guan) 注的是未來，是石墨烯核心技術和高大上的產(chan) 品開發，如柔性石墨烯電子器件、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫茲(zi) 探測器等各類傳(chuan) 感器、石墨烯分離膜及海水淡化技術等。顯而易見，這些東(dong) 西不可能立即變現，不能期待幾年之內(nei) 就有多麽(me) 大的產(chan) 業(ye) ，但它們(men) 可能代表石墨烯材料與(yu) 器件的未來方向。”

　　這樣的觀點值得注意。北京石墨烯研究院院長、中國科學院院士劉忠範就曾多次指出，我國的石墨烯研究仍處在產(chan) 業(ye) 化前夜，至多是起步階段，我們(men) 不能過於(yu) 急功近利，既要關(guan) 注今天的產(chan) 品，更要關(guan) 注未來的核心技術。隻有擁有這些核心技術，才能擁有石墨烯產(chan) 業(ye) 的未來。

　　4、應用石墨烯：更廣泛的應用將把人類帶入“碳時代”

　　發展石墨烯，前路在哪？

　　“未來，石墨烯應該朝著產(chan) 業(ye) 化方向發展，其用途可體(ti) 現在可穿戴的智能化手機手表、電動汽車等設備的電池電極材料、軍(jun) 用防彈衣、航空裝置的機械保護材料，以及一些柔性電子顯示屏和電子元件等方麵。”趙揚認為(wei) 。

　　蔡衛表示，從(cong) 更長遠的發展來看，石墨烯要推動基礎物理的發展，目前石墨烯已推動整個(ge) 二維材料領域的發展，為(wei) 探索範德瓦爾斯二維異質材料的基礎物理與(yu) 應用提供了可能，如轉角雙層石墨烯可實現超導、石墨烯中的元激發能實現極端強的光—物質相互作用等。“當然，石墨烯要在新場景下實現應用。如基於(yu) 石墨烯的超靈敏光探測器可應用在航空航天、無人駕駛、生物檢測等領域，又如石墨烯與(yu) 其他二維材料或者現有矽基納米係統集成，出現在6G通訊器件中等。”

　　“劉忠範院士曾給石墨烯材料勾畫了三種前途。第一種前途類似於(yu) 碳纖維材料，在某些領域找到不可或缺的用途，成為(wei) “撒手鐧”級的應用。第二種前途類似於(yu) 塑料，一百年前人們(men) 發明塑料，極大便利了人類生活，已經滲透在日常生活的方方麵麵。石墨烯材料也有這種潛質，在未來也可能像塑料一樣進入我們(men) 的日常生活。第三種前途類似於(yu) 矽材料。沒有矽材料，就沒有集成電路，自然也就無法進入信息化時代。甚至可以講，我們(men) 現在生活在‘矽時代’。完美的石墨烯材料擁有遠優(you) 於(yu) 矽材料的光學和電學等特性，可用來製造未來的信息器件。”彭海琳表示，首先需要解決(jue) 的是石墨烯材料的製備問題，在未來，高質量石墨烯材料可以考慮先和傳(chuan) 統矽技術結合或融合發展，最終找到“殺手鐧”級用途，有可能替代矽基材料，製造“碳基電子器件及集成電路”，從(cong) 而把人類帶入“碳時代”。