看“黑金”石墨烯如何顛覆未來

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來就成為了“神奇材料”“萬能材料”的代名詞，各國的頂尖科研力量對它趨之若鶩，成就了它材料界翹楚的地位。

石墨烯是什么

石墨烯是一種由碳原子以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。石墨烯是人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯在已知的材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高，它電流密度是銅的100萬倍，導(dǎo)熱率是銅的10倍，因此也是最理想的電極和半導(dǎo)體材料，被認為可以引起現(xiàn)代電子科技和信息技術(shù)的革命。

目前，石墨烯主要應(yīng)用于復(fù)合材料、導(dǎo)電導(dǎo)熱涂層、超級電容器、鋰離子電池等，未來進一步的發(fā)展可能是柔性顯示、太陽能、高性能芯片、醫(yī)學(xué)生物等領(lǐng)域。

新能源汽車鋰電材料領(lǐng)域。石墨烯作為導(dǎo)電添加劑能大幅提升鋰離子電池的充電效率、穩(wěn)定性和使用壽命，相比顆粒狀導(dǎo)電劑和碳納米管具有顯著性能優(yōu)勢。導(dǎo)電添加劑能大幅提升鋰離子電池導(dǎo)電性，提高電動車的快充性能。導(dǎo)電添加劑的作用就是在具體活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間收集微電流以減小電極的接觸電阻，加速電子的移動速率。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑相比，石墨烯導(dǎo)電劑性能更為優(yōu)異，與碳納米管相比也更勝一籌。

超級電容器領(lǐng)域。超級電容器是一種靠極化電解液來存儲電能的新型電化學(xué)裝置，介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間，具有充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，在各類需要能源轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用價值。由于石墨烯具有特高的表面面積對質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導(dǎo)電電極。科學(xué)家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現(xiàn)有的電容器。

電子設(shè)備領(lǐng)域。電子產(chǎn)品的輕薄化對散熱提出了更高的要求。當(dāng)前，電子產(chǎn)品的輕薄化已經(jīng)成為一大趨勢，伴隨著產(chǎn)品功能增強、性能提高，高功率的處理芯片帶來了更多的熱量，更快的處理速度和更低的電量消耗對智能終端提出了更高的散熱需求。2011年，美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）學(xué)者首先報道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結(jié)構(gòu)在熱界面材料中的應(yīng)用及其超高等效熱導(dǎo)率和超低界面熱阻。

透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域。傳統(tǒng)的顯示屏導(dǎo)體材料基本都使用ITO膜，但ITO材料具有價格高、易碎、有毒等缺點，且受制于導(dǎo)電性、透光率、彎曲性等本質(zhì)問題，已無法滿足移動終端、可穿戴設(shè)備、智能家電對觸控面板提出的更高的要求。與ITO相比，石墨烯性能更為優(yōu)異。

通常衡量透明導(dǎo)電膜性能有兩個指標(biāo)：導(dǎo)電性和透光率。石墨烯具有高透光度、強韌性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是新型透明導(dǎo)電膜的理想材料。此外，石墨烯觸摸屏sensor加工工序相對簡單，對生產(chǎn)設(shè)備、場地等投資要求較低，可進一步降低模組成本。目前，在技術(shù)層面石墨烯替代ITO作為觸摸屏已經(jīng)沒有障礙，與ITO其他替代材料比，石墨烯更為全面，進展加速。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等特色，應(yīng)用于細菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優(yōu)良的選擇。石墨烯及其衍生物在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細菌分析、DNA和蛋白質(zhì)檢測。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

海水淡化。研究表明，石墨烯過濾器可大幅度的勝過其他的海水淡化技術(shù)。