石墨烯是什么！一起揭開(kāi)它的面紗

石墨烯到底是什么?

石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于無(wú)數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

由于碳原子之間化學(xué)鍵的特性，石墨烯很頑強(qiáng)：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因?yàn)橹挥幸粚釉?，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，為它帶來(lái)了全新的電學(xué)屬性。石墨烯在可見(jiàn)光下透明，但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。

但是適合歸適合，真的做出來(lái)還沒(méi)那么快。

問(wèn)題之一：制備方式。

許多項(xiàng)研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個(gè)陷阱。這些美妙的特性對(duì)樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢(qián)的手段：機(jī)械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來(lái)。

別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

諾沃肖洛夫團(tuán)隊(duì)捐贈(zèng)給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人。圖片來(lái)源：wikipedia

雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來(lái)都很低，但問(wèn)題是成功率更低，弄點(diǎn)兒樣品做研究還可以，工業(yè)化生產(chǎn)?開(kāi)玩笑。要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無(wú)用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來(lái)幾片……

當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本——麻煩是這些辦法的產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類(lèi)似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來(lái)。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來(lái)。我們還有直接生長(zhǎng)法，在兩層硅中間直接設(shè)法長(zhǎng)出一層石墨烯來(lái)。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒(méi)有真的能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術(shù)。

這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯?舉個(gè)例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會(huì)被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來(lái)沒(méi)啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點(diǎn)上生長(zhǎng)出來(lái)的一片。它其實(shí)是多個(gè)點(diǎn)同時(shí)生長(zhǎng)產(chǎn)生的“多晶”，而沒(méi)有辦法能保證這多個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)出來(lái)的小片都能完整對(duì)齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來(lái)的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點(diǎn)不像多晶金屬那樣會(huì)自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個(gè)石墨烯的強(qiáng)度要減半。材料是個(gè)麻煩的領(lǐng)域，想魚(yú)與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒(méi)有那么快。

顯微鏡下的一塊石墨烯，偽色標(biāo)記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。圖片來(lái)源：Cornell.edu

問(wèn)題之二：電學(xué)性能。

石墨烯一個(gè)有前景的方向是顯示設(shè)備——觸屏，電子紙，等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點(diǎn)電阻很難對(duì)付。諾沃肖洛夫估計(jì)這個(gè)問(wèn)題能在十年之內(nèi)解決。

但是為啥我們不能干脆拋棄金屬，全用石墨烯呢?這就是它在電子產(chǎn)品領(lǐng)域里最致命的問(wèn)題?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品全部是建筑在半導(dǎo)體晶體管之上，而它有一個(gè)關(guān)鍵屬性稱(chēng)為“帶隙”：電子導(dǎo)電能帶和非導(dǎo)電能帶之間的區(qū)間。正因?yàn)橛辛诉@個(gè)區(qū)間，電流的流動(dòng)才能有非對(duì)稱(chēng)性，電路才能有開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)——可是，石墨烯的導(dǎo)電性能實(shí)在太好了，它沒(méi)有這個(gè)帶隙，只能開(kāi)不能關(guān)。只有電線沒(méi)有邏輯電路是毫無(wú)用途的。所以要想靠石墨烯創(chuàng)造未來(lái)電子產(chǎn)品，取代硅基的晶體管，我們必須人工植入一個(gè)帶隙——但是簡(jiǎn)單植入又會(huì)使石墨烯喪失它的獨(dú)特屬性。目前針對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的研究的確不少：多層復(fù)合材料，添加其他元素，改變結(jié)構(gòu)等等;但是諾沃肖洛夫等人認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題要真正解決，還要至少十年。

問(wèn)題之三：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

石墨烯產(chǎn)業(yè)還有一個(gè)意想不到的麻煩：污染。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它很便宜，雖不能用來(lái)做電池、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域，作為電子紙等用途倒是相當(dāng)不錯(cuò);可是這東西對(duì)人體很可能是有毒的。有毒不要緊，只要它老老實(shí)實(shí)呆在電子產(chǎn)品里，那就沒(méi)有任何問(wèn)題;可是前不久研究者剛發(fā)現(xiàn)它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴(kuò)散。雖然現(xiàn)在對(duì)它的環(huán)境影響下斷言還為時(shí)太早，但這的確是個(gè)潛在問(wèn)題。

所以，石墨烯的命運(yùn)究竟如何?

鑒于過(guò)去幾個(gè)月里學(xué)界并無(wú)新的突破性進(jìn)展，近日它的這波突發(fā)性“火熱”，恐怕本質(zhì)上還是資本運(yùn)行的炒作結(jié)果，應(yīng)審慎對(duì)待。作為工業(yè)技術(shù)，石墨烯看起來(lái)還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出，目前石墨烯的應(yīng)用還是受限于材料生產(chǎn)，所以那些使用最低級(jí)最廉價(jià)石墨烯的產(chǎn)品(譬如氧化石墨烯納米顆粒)，會(huì)最先面世，可能只需幾年;但是那些依賴于高純度石墨烯的產(chǎn)品可能還要數(shù)十年才能開(kāi)發(fā)出來(lái)。對(duì)于它能否取代現(xiàn)有的產(chǎn)品線，諾沃肖洛夫依然心存疑慮。

另一方面，如果商業(yè)領(lǐng)域過(guò)度夸大其神奇之處，可能會(huì)導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)業(yè)變成泡沫;一旦破裂，那么也許技術(shù)和工業(yè)的進(jìn)展也無(wú)法拯救它?？茖W(xué)作者菲利普·巴爾曾經(jīng)在《衛(wèi)報(bào)》上撰文《不要期望石墨烯帶來(lái)奇跡》，指出所有的材料都有其適用范圍：鋼堅(jiān)硬而沉重，木頭輕便但易腐，就算看似“萬(wàn)能”的塑料其實(shí)也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會(huì)發(fā)揮巨大的作用，但是沒(méi)有理由認(rèn)為它能成為奇跡材料、改變整個(gè)世界?；蛘?，用諾沃肖洛夫自己的話說(shuō)：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應(yīng)用領(lǐng)域里才能充分展現(xiàn)：那些設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來(lái)替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子產(chǎn)品，可折疊太陽(yáng)能電池，和超級(jí)電容器等等新領(lǐng)域能否發(fā)揮它的潛能，就讓我們平心靜氣拭目以待吧。