石墨烯：應用前景極其廣泛的新興材料
——石墨烯能否引發一場新的產業革命

本刊資料室

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石墨烯：應用前景極其廣泛的新興材料
——石墨烯能否引發一場新的產業革命

本刊資料室

1　2010年諾貝爾物理學獎得獎項目

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體．20世紀初，X射線應用于晶體的研究，物理學家分析石墨晶體的結構，開始接觸石墨烯；1948年，G.Ruess和F.Vogt發表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的層數在3層至10層之間石墨烯圖像．最初，科學家試著使用化學剝離法來制造石墨烯，但沒有成功．所以，石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在．直到2004年，英國曼徹斯特大學俄裔物理學家安·海姆(A.Geim，1958年～)和康·諾沃肖洛夫(K.Novosolov,1974年～)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，才證實它可以單獨存在．2004年10月兩人在Science發表了自己的成果，在全球引起強烈的反響，從此石墨烯成為研究熱門，安·海姆和康·諾沃肖洛夫則因“有關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．

2　石墨烯的晶體結構

石墨烯為蜂巢晶格的單層sp2雜化碳原子排列形成的平面，是各種石墨結構的母體，如圖1所示．二維石墨烯多層疊加形成三維的石墨體，卷曲可以形成一維結構的碳納米管，包裹形成零維的球形富勒烯(巴基球)．

圖1　石墨烯構建各種碳材料的示意圖

3　石墨烯的性質與廣泛應用

石墨烯有許多奇特的性質，利用這些奇特的性質，石墨烯顯示了極其廣泛的應用前景．例如以下幾個方面.

3.1機械性質及新型機械材料

石墨烯既是最薄、最輕的材料，又是最強韌的材料．斷裂強度130GPa，比最好的鋼材還要高200倍；楊氏模量1 100GPa，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%．單原子層石墨烯材料理論比表面積(單位質量物料所具有的總面積)可達2 630m2/g．

如果用一塊面積1m2的石墨烯做成吊床，本身重量不足1mg便可以承受一只1kg的物體．單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335nm，相當于一根頭發的20萬分之一的厚度，1mm厚的石墨烯中就有150萬層左右單個石墨烯．

石墨烯最強、最輕、最薄、比表面積最大等機械性質，使石墨烯有可能成為取代鋁材、鋼材制造飛機、汽車及各種各樣設備、器件的新型機械材料．

3.2電磁性質及新型電子器件

用石墨烯制造的射頻器件可以實現超高速、超低噪聲、超低功率的射頻電路，對通信、電子戰、雷達及其他國防系統將產生重大影響．石墨烯在高性能儲能器件方面，也已經展示出誘人的應用前景，可研發基于石墨烯的高能量密度鋰電池和超級電容等．另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光．另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透．這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板．

3.3化學性質及新型防腐材料

最新發現石墨烯在防腐蝕方面非常有效．常用的聚合物涂層很容易被刮傷，降低了保護性能；用石墨烯來做保護膜，顯著延緩了金屬的腐蝕速度，更加堅固抗損傷．因此，石墨可能在海洋防腐、金屬防腐、重化防腐等領域成為新型防腐材料．

3.4生物性質及新型抗菌藥物

通過研究發現納米級的石墨烯對細菌有殺傷效果，實現抑菌作用．這是由于石墨烯是納米級的，而細菌是微米級，前者比后者小1 000倍，石墨烯就如同一把很鋒利的刀，可直接把細菌殺死；利用這種性質，石墨烯有望成為一種新的抗菌藥物，成為抗生素的重要替代選項，解決抗生素濫用問題．

3.5石墨烯其他性質

除以上性質外，人們發現石墨烯還有許多其他性質，例如雙極性電場效應中的量子特性、非線性光學中的可飽和吸收、在室溫下的量子霍爾效應 、在溫度4K以下的反常量子霍爾效應等,深入研究可以找到更為巨大的應用價值．

4　各國對石墨烯的研究與開發

石墨烯在國際上引起廣泛關注，紛紛投入人力、物力，開展研究與開發．

(1)美國.2006～2011年，美國國家自然科學基金(NSF)關于石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器、石墨烯連續和大規模納米制造等項目．2008年，美國國防預研局(DARPA)投資2 200萬美元研發超高速和低耗能的石墨烯晶體管，用于無線通信、網絡、雷達和成像等多個領域．

(2)歐盟.歐盟則制訂了長期計劃，將歐洲各國的石墨烯研究統籌為一個整體，加速商業化進程．2013年1月28日，歐盟委員會將石墨烯列入“未來新興技術旗艦項目”，10年提供10億歐元資助．2014年2月，歐盟未來新興技術(FET)石墨烯旗艦計劃發布了首份招標公告和科技路線圖，其研究重點聚焦于半導體器件的集成、傳感器、光電子學、生物界面等方面．

(3)日本.日本學術振興機構(JST)從2007年起開始對石墨烯硅材料、器件的技術進行資助．

(4)韓國.2012～2018年，韓國原知識經濟部預計將向石墨烯領域提供2.5億美元的資助用于技術研發和應用研究．

(5)中國.對于石墨烯領域的研究與開發，我國也較早就給予了關注．2012年工業和信息化部發布的《新材料產業十二五發展規劃》，就把石墨烯作為前沿新材料列在其中．2015年11月10日，工業與信息化部原材料工業司司長周長益在2015年中國國際石墨烯創新大會上透露,石墨烯已作為重點包括在新材料產業發展的“十三五”規劃之中．為了推動國內石墨烯研發及產業化進程，在科技部、工信部、國家發改委、國家自然科學基金委等的支持下，成立了中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟．聯盟成立以來，先后組建了技術、標準、專利、資源、產業促進、國際合作等專門委員會來整合協調、提高行業整體創新競爭力．其中，2014年1月中國石墨烯標準化委員會正式發布的中國石墨烯第1號標準《石墨烯材料的名詞術語與定義》，就對規范中國石墨烯產業發展起到積極作用．在國家及多方面的支持下、我國科技人員已在石墨烯領域的研究與開發領域取得諸多成果．

5　石墨烯能否引發一場新的產業革命

目前普遍認為，石墨烯是一種強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的耐腐蝕、耐磨、高導熱的新型納米材料，在電子技術、電腦技術、化工、生物醫藥、能源、航空航天……領域都展現出寬廣的應用前景．有的科學家預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場新的產業革命．

目前的問題是石墨烯尚未找到成本低廉、質量穩定、可大規模產業化的制備方法．要實現真正意義上的石墨烯商品化，還需要做大量的基礎研究、應用研發工作．石墨烯能否引發一場新的產業革命？需要時間來考驗．