石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。?[1]??英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。?[2]?

2018年3月31日，中國首條全自動量產(chǎn)石墨烯有機太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動。

實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是一層甚至幾層石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈?蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁?諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。2009年，安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實驗界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實驗中被制備出來。?[4]?

2018年3月31日，中國首條全自動量產(chǎn)石墨烯有機太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動，該項目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機太陽能電池（下稱石墨烯OPV），了應(yīng)用局限、對角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。?[3]?

2018年6月27日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布新制訂的團體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》。這項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。?[5]?

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

基礎(chǔ)研究

石墨烯對物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進(jìn)行論證的量子效應(yīng)可以通過實驗經(jīng)行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)――因為無質(zhì)量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學(xué)來描述，這為理論物理學(xué)家們提供了一個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進(jìn)行的試驗，可以在小型實驗室內(nèi)用石墨烯進(jìn)行。?[39]?

零能隙的半導(dǎo)體主要是單層石墨烯，這種電子結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重影響到氣體分子在其表面上的作用。單層石墨烯較體相石墨表面反應(yīng)活性增強的功能是由石墨烯的氫化反應(yīng)和氧化反應(yīng)結(jié)果顯示出來的，說明石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以調(diào)變其表面的活性。另外，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以通過氣體分子吸附的誘導(dǎo)而發(fā)生相應(yīng)的變化，其不但對載流子的濃度進(jìn)行改變，同時可以摻雜不同的石墨烯。?[40]?

傳感器

石墨烯可以做成化學(xué)傳感器，這個過程主要是通過石墨烯的表

紅外光束激發(fā)等離子體石墨烯傳感器示意圖

面吸附性能來完成的，根據(jù)部分學(xué)者的研究可知，石墨烯化學(xué)探測器的靈敏度可以與單分子檢測的極限相比擬。?[41]?石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使它對周圍的環(huán)境非常敏感。?[42]??石墨烯是電化學(xué)生物傳感器的理想材料，石墨烯制成的傳感器在醫(yī)學(xué)上檢測多巴胺、葡萄糖等具有良好的靈敏性。?[6]?

晶體管

石墨烯可以用來制作晶體管，由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩(wěn)定地工作。相比之下，目前以硅為材料的晶體管在10納米左右的尺度上就會失去穩(wěn)定性；石墨烯中電子對外場的反應(yīng)速度超快這一特點，又使得由它制成的晶體管可以達(dá)到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的硅晶體管。?[7]?

柔性顯示屏

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設(shè)備顯示屏的發(fā)

柔性顯示屏

展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，制造出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們表示，這是迄今為止“塊頭”最大的石墨烯塊。隨后，他們用該石墨烯塊制造出了一塊柔性觸摸屏。研究人員表示，從理論上來講，人們可以卷起智能手機，然后像鉛筆一樣將其別在耳后。?[7]?

新能源電池

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。美國麻省理工學(xué)院已

石墨烯基超級電容器結(jié)構(gòu)與不同電壓下的石墨烯理論能量密度

成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。?[7]?

海水淡化

石墨烯過濾器比其他海水淡化技術(shù)要使用的多。水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后，可形成約0.9納米寬的通道，小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過。通過機械手段進(jìn)一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細(xì)通道尺寸，控制孔徑大小，能高效過濾海水中的鹽份。

儲氫材料

儲氫材料

石墨烯具有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)點，使之成為儲氫材料的最佳候選者。?[6]?

航空航天

由于高導(dǎo)電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是極為突出的。2014年，美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。?[43]?

感光元件

以石墨烯作為感光元件材質(zhì)的新型感光元件，可望透過特殊結(jié)構(gòu)，讓感光能力比現(xiàn)有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%。可應(yīng)用在監(jiān)視器與衛(wèi)星成像領(lǐng)域中，可以應(yīng)用于照相機、智能手機等。?[44]?

復(fù)合材料

基于石墨烯的復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向

復(fù)合材料

， 其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能， 具有廣闊的應(yīng)用前景。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無機納米復(fù)合材料上，而隨著對石墨烯研究的深入， 石墨烯增強體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用也越來越受到人們的重視。?[7]??石墨烯制成的多功能聚合物復(fù)合材料、高強度多孔陶瓷材料，增強了復(fù)合材料的許多特殊性能。?[6]?

生物

石墨烯被用來加速人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化?[45]??，同時也被用來制造碳化硅上外延石墨烯的生物傳感器。同時石墨烯可以作為一個神經(jīng)接口電極，而不會改變或破壞性能，如信號強度或疤痕組織的形成。由于具有柔韌性、生物相容性和導(dǎo)電性等特性，石墨烯電極在體內(nèi)比鎢或硅電極穩(wěn)定得多。?[46]??石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長十分有效，而且不會傷害到人體細(xì)胞。?[6]?

發(fā)展前景

編輯

石墨烯的研究與應(yīng)用開發(fā)持續(xù)升溫，石墨和石墨烯有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價值，在化學(xué)、材料、物理、生物、環(huán)境、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域已取得了一系列重要進(jìn)展。?[47]??研究者們致力于在不同領(lǐng)域嘗試不同方法以求制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料。并通過對石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。?[48]?

中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。如歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項目”，設(shè)立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。

石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件，為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝，使其得到更好的應(yīng)用。?[49]??石墨烯雖然從合成和證實存在到今天只有短短十幾年的時間，但是已成為今年學(xué)者研究的熱點。其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)促使研究人員不斷對其深入研究，隨著石墨烯的制備方法不斷被開發(fā)，石墨烯必將在不久的將來被更廣泛的應(yīng)用到各領(lǐng)域中。?[50]?

石墨烯產(chǎn)業(yè)化還處于初期階段，一些應(yīng)用還不足以體現(xiàn)出石墨烯的多種“理想”性能，而世界上很多科研人員正在探索“殺手锏級”的應(yīng)用，未來在檢測及認(rèn)證方面需要面對太多挑戰(zhàn)，有待在手段及方法上不斷創(chuàng)新。

你好！石墨烯是一種高科技材料，因為它壽命長，質(zhì)量好，導(dǎo)熱快，可用于取暖。又因為石墨烯既可保暖，又可控溫，因此就有了石墨烯散熱膜，可以降溫。

標(biāo)簽：冬奧會武大韓國