今年3月，浙江大學(xué)利用石墨烯等材料制成世界“最輕材料”。
想在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影嗎?石墨烯調(diào)制器的問世或許能讓這個愿望得以實現(xiàn)。
美國華裔科學(xué)家張翔教授的研究團隊用石墨烯研制出一款調(diào)制器，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)傳輸速度提高一萬倍。
石墨烯無疑是過去十年，乃至未來幾十年，所有材料“明星”中最耀眼的一顆。
雖然發(fā)現(xiàn)至今尚不足十年，石墨烯卻不斷在科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界引發(fā)一輪輪波瀾。隨著人們對它的認識逐漸明晰，其神秘面紗就像發(fā)現(xiàn)之初那樣被一層層揭開——薄且堅硬，透光度好，導(dǎo)熱性強，導(dǎo)電率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電子遷移速度快，能在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)……
從假設(shè)到現(xiàn)實
石墨烯是構(gòu)成石墨、木炭、碳納米管和富勒烯等碳同素異形體的基本單元材料，是一種二維晶體。
石墨烯的結(jié)構(gòu)一直被認為只存在于理論之中，無法單獨穩(wěn)定存在。直至2004年，英國物理學(xué)家安德烈˙海姆和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出石墨烯，才證實它可以單獨存在。
最初，科學(xué)家從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。通過反復(fù)的操作，石墨片變得越來越薄。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。
憑借“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，這兩位科學(xué)家共同獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)，之所以意義重大，是因為它創(chuàng)造了諸多“紀錄”。
石墨烯是世上最薄的材料。
“石墨烯只有0.34納米厚，十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑，人們用肉眼是看不見它的。”中科院重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛接受《中國科學(xué)報》記者采訪時如此描述。
石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì)。
它比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。
哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家用金剛石制成的探針測試石墨烯的承受能力，在被實驗的石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達到了2.9微牛左右。這意味著，“如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品”。
石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快。
在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，遷移速率僅為光速的三百分之一，遠遠高出其在硅、銅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體和導(dǎo)體中的速率。
“電子在石墨烯里邊好像沒有質(zhì)量一樣，運動速度非常快。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾長淦在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，“電子能量不會被損耗的特點，使這種材料具有了非比尋常的優(yōu)良特性。”
它的另一特性讓材料學(xué)家更為驚喜，該材料幾乎完全透光，透光率在97%以上。
2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，使得石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景。中科院院士高鴻鈞對此表示：“石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。”
引導(dǎo)科技革命
石墨烯神秘又神奇的特殊性能讓人們對它的應(yīng)用充滿幻想。
在國內(nèi)，有關(guān)石墨烯的應(yīng)用研究開展得如火如荼。
我國在石墨烯的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化推進中處于世界前列，多支研究隊伍在石墨烯的性能研究與制備技術(shù)方面取得突破性成果。其中，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的石墨烯薄膜制備技術(shù)以2.1億元人民幣的價格實現(xiàn)轉(zhuǎn)讓，更是讓研究者與開發(fā)者蠢蠢欲動。
在世界范圍內(nèi)，針對石墨烯研究與應(yīng)用的熱潮在持續(xù)涌動。
據(jù)劍橋知識產(chǎn)權(quán)公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至今年5月，全球已經(jīng)獲批和正在申請的石墨烯專利共計9218項，專利申請數(shù)量在過去5年更是增加了4倍;自2004年開始，石墨烯領(lǐng)域的相關(guān)研究論文呈指數(shù)上升趨勢，迄今論文總數(shù)已超過2萬篇，僅2012年一年就超過了6000篇。
“從來沒有一種材料能像石墨烯這樣在各個領(lǐng)域都廣受關(guān)注。”曾長淦感慨，雖然國內(nèi)外目前還沒有實實在在的石墨烯產(chǎn)品問世，“但它是眾多‘明星’材料中最接近應(yīng)用的材料。”
超輕防彈衣、超薄超輕型飛機、超薄能折疊的手機、高強度航空材料、高性能儲能和傳感器、超級電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進入科學(xué)家的研究視野。
其中，透明電極的應(yīng)用最引人注目。
“石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。”曾長淦表示，如今電子產(chǎn)品中的觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發(fā)光二極管等都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。
傳統(tǒng)的電導(dǎo)電極應(yīng)用的是氧化銦錫，而這種材料脆度較高，比較容易損毀。
與之相比，石墨烯不僅更加堅硬，性能也更好。
“氧化銦錫光通過率比較低，用石墨烯的話，顯示器的屏幕會更亮。”曾長淦告訴記者，石墨烯在透明電極方面的應(yīng)用會大幅降低電子設(shè)備的成本，并使其更省電、更清晰，“十年內(nèi)，石墨烯在透明電極方面肯定能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化”。
97%以上的光通過率在為透明電極的應(yīng)用帶來變革的同時，也使太陽能產(chǎn)業(yè)的升級成為可能。
據(jù)專家介紹，當(dāng)前市面上的太陽能電池板基本為多晶硅，其光電轉(zhuǎn)換率為30%左右，而石墨烯太陽能技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率高達60%，是現(xiàn)有多晶硅太陽能技術(shù)的2倍。
近期，美國麻省理工學(xué)院與蘋果公司相繼發(fā)布研究報告，論述了石墨烯作為太陽能電池為電子設(shè)備提供能源的可能，蘋果公司更是為此提交了專利申請，為在電子設(shè)備中搭載石墨烯太陽能電池提供解決方案。
中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉兆平在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示，石墨烯微片可以與鋰離子電池電極活性材料顆粒形成二維導(dǎo)電接觸，在電極中構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因而可大幅提升電池綜合性能。
初步實驗結(jié)果表明，與常規(guī)方案的電池相比，采用石墨烯導(dǎo)電劑的鈷酸鋰電池容量高出3%，放電容量從72%提高到92%。
突破制備技術(shù)
制備技術(shù)是石墨烯進入應(yīng)用領(lǐng)域、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的攔路虎之一
盡管國內(nèi)外科學(xué)家對石墨烯的研究越來越透徹，對其應(yīng)用的探索成果也不斷涌現(xiàn)，然而市面上卻鮮有真正的石墨烯材料產(chǎn)品問世。
制備技術(shù)是石墨烯進入應(yīng)用領(lǐng)域、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的攔路虎之一。高成本的制備技術(shù)推升了石墨烯的市場價格，其價格一度達到每克5000元，是黃金的十幾倍。
高鴻鈞在去年年底召開的以石墨烯為主題的香山科學(xué)會議上直言，我國在石墨烯制備方法研究領(lǐng)域還面臨較大挑戰(zhàn)。“挑戰(zhàn)主要在于如何制備大面積、雜質(zhì)缺陷可控的高質(zhì)量單晶材料以及如何改進現(xiàn)有硅基工藝融合的石墨烯加工技術(shù)。”
盡管如此，我國科學(xué)家在石墨烯的制備技術(shù)研發(fā)方面仍然實現(xiàn)了重大突破。劉兆平率領(lǐng)研究團隊歷經(jīng)多年努力，研發(fā)出了石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元，直接帶來國外客戶的大量訂單。
今年年初，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院宣布實現(xiàn)了15英寸單層石墨烯的制備，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出7英寸石墨烯觸摸屏。
值得一提的是，上述兩個研究團隊均與上海南江集團聯(lián)合創(chuàng)建了專業(yè)的石墨烯生產(chǎn)公司，分別量產(chǎn)石墨烯微片與石墨烯薄膜。
微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室的曾長淦研究團隊更是另辟蹊徑，將常規(guī)的基于氣態(tài)碳源的銅表面石墨烯生長需要1000℃的高溫降至300℃，創(chuàng)造了石墨烯化學(xué)氣相沉積法生長的最低溫度。
“隨著石墨烯制備技術(shù)的升級，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的條件也不斷成熟，相信在未來幾年，石墨烯制成的新產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)。”曾長淦表示。
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