忘記塑料吧，石墨烯才是未來

忘記塑料吧，石墨烯才是未來

石墨烯(Graphene)是由單層碳原子構成的六角形，呈蜂窩晶格的一層透明薄膜，是世界上為數不多同時具備“透明、導電和柔性”三大屬性的材料，這三種屬性很少能在同一個材料上出現，因此它又被稱為“奇跡材料”。十年前，石墨烯還不太為人所知，如今，它的巨大潛力引發了無限的遐想。
　我們在日常生活中常常會用到石墨，例如鉛筆芯；然而，從中分離出來的石墨烯，卻像是科幻電影里取出來的那般神奇。這項從鉛筆芯中得來的發現，為它的發現者帶來了諾貝爾物理學獎，而按照《紐約時報》的說法，石墨烯“具備顛覆當前所有電子設備的潛質，是材料的未來和電子行業的救命稻草”。


　　透明膠帶粘出的發現

　　2004年，物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫正在一張涂滿鉛筆筆跡的紙上，用透明膠帶粘來粘去。

　　這兩個人偶然意識到，他們可以強行將性狀類似鉛筆芯的石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后利用普通膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，在不斷重復這一過程中得到越來越薄的石墨薄片，最后制成由一層碳原子構成的石墨烯。

　　靠這種“粘取”，他們剝離出了石墨烯，隨后發現，石墨烯原子所獨具的、像一張鐵絲網似的六角形陣列排列方式，有潛力成為新型材料。它由碳原子以特殊結構排列而成，比其他任何材料都具備更好的導熱、導電特性。更令人稱奇的是，它不僅是世界上最硬的材料，而且柔韌性也最強。

　　“石墨烯是世界上為數不多同時具備透明、導電和柔性三大屬性的材料。”有專家宣稱，“這三種屬性很少能在同一個材料上出現。”厚度只有一層碳原子的石墨烯因此被稱為“奇跡材料”。

　　2010年，諾貝爾物理學獎的至高榮譽由安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，因“研究二維材料石墨烯的開創性實驗”而共享。評審委員會認為，它“有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破”。

　　石墨烯能做什么？

　　雖然石墨烯早在10年前就被發現，然而它在2010年兩位研究者獲得諾貝爾物理學獎后，才真正獲得關注，研究人員和大公司開始集中精力研究如何商業化生產石墨烯，與石墨烯相關的應用性研究已初現成果。

　　物理學家和研究人員表示，由于石墨烯可以讓電子產品的屏幕更清晰且具備柔性特質，這些產品將比以往采用硅材料的設備更薄、更快、更便宜。另外，續航時間長的電池也可具備防水性能。

　　2011年，美國西北大學的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學表示這種電池可以讓手機“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。

　　2012年，美國化學學會表示，石墨烯技術進步將使得“手機薄如紙張，能夠折疊裝入口袋”。媒體稱研究人員正基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。

　　不久前，與韓國成均館大學合作的三星尖端技術研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術進步意味著公司可以開始制造“柔性顯示屏、可穿戴產品和其他下一代電子產品”。有論者指出，三星的突破最終將成為“石墨烯商業化的救命稻草”。而三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、諾基亞和SanDisk公司的研究人員都在嘗試用石墨烯材料創造新型傳感器、晶體管和存儲器。

　　石墨烯最大的優勢是價格便宜。當今電子行業的很多產品都能利用石墨烯而變得更好、更小、更便宜。加利福尼亞大學伯克利分校的科學家去年制造了一款石墨烯揚聲器，音質等同于甚至好于森海塞爾耳機，體型更小。石墨烯迷人的地方還在于，它可浸入液體不被氧化，這一點與其他導電材料完全不同。研究者表示，石墨烯研究正在向讓電子產品與生物系統融合的方向轉變。換句話說，未來石墨烯產品可以植入你的身體中，讀取神經系統信息或同細胞對話。

　　取代無所不在的硅

　　目前來看，取代無所不在的硅，是石墨烯最具商業前景的用途。

　　傳統的集成電路晶體管是由硅制成的，著名的摩爾定律在上世紀70年代預言，晶體管的性能每兩年就能提高一倍。但近年來這一著名預言卻遭到科學家們越來越多的質疑，因為晶體管的尺寸不斷縮小，集成度越來越接近它的物理極限。晶體管的微型化造成的元件升溫，也使其性能大打折扣--電子設備的溫度每升高10度，壽命就會折損一半。

　　而石墨烯材料制成的芯片，則有可能使元件的溫度保持在較低水平，從而進一步推進電子設備的微型化。電子產業甚至認為，石墨烯日后能取代無處不在的硅，從而引發電子工業革命。

　　在國外，石墨烯材料的研發受到高度重視。2013年1月，歐盟委員會宣布將石墨烯和人腦工程兩大科技入選“未來新興旗艦技術項目”，并分別設立專項研發計劃，每項計劃將在未來10年內分別獲得10億歐元的經費。在我國，石墨烯材料的奇異特性，也逐漸引起政府、學術界和企業界的高度重視。2012年，工業和信息化部發布《新材料產業“十二五”發展規劃》，規劃中的前沿新材料，就包含石墨烯；科技部也明確表態將支持石墨烯材料的研究。

　　我國石墨烯領域研發起步較晚，但發展較快。2013年7月13日，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟成立。同時，江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中科院等機構以多種形式協同創新，紛紛建立了產業技術聯盟，促進了創新資源優化組合和創新產業化進程。

　　有待實現的承諾

　　當石墨烯真正擺到商店貨架時，它們的外形和體驗可能是我們從未見過的。

　　自石墨烯被發現以來，研究人士一致努力開發這種材料的商業用途，如替代晶硅應用在芯片領域，制造鋰離子電池負極材料以及超級電容器，制造可彎曲觸摸屏等。

　　如今，研究的重心轉向了石墨烯與其他金屬的結合應用。以太陽能研發為例，美國麻省理工學院就構想了一種新型光伏電池，由石墨烯與二硫化鉬結合制成。與當下最小的光伏電池相比，這種新型光伏電池每單位體積的發電能力可高出30倍。科學家目前正在研究如何結合石墨烯與硫族化合物形成新的材料，用于制造能夠發電的外涂層。

　　然而，科學家眼中并沒有所謂的奇跡。石墨烯的工業化也無法一蹴而就。目前，石墨稀的造價仍然較高；而且，在某些情況下，它的性能并不如硅。與此同時，它微量的毒性也還沒有得到充分的考量。更關鍵的是，整個行業都在使用傳統硅芯片和晶體管制造電子產品，大企業這些接納石墨烯速度可能很緩慢。

　　石墨烯要走的路還很長。

　　鏈接奇跡材料無處不在

　　電池

　　2011年，美國西北大學的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學表示這種電池可以讓手機“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。

　　此外，特斯拉對電池技術的革新，也將引發市場對提升鋰電池能量密度材料的關注。石墨烯具有高導電性和良好的柔韌性，是柔性儲能器件的理想候選材料之一。石墨烯復合材料用作鋰離子電池負極材料，可大幅提高負極材料的電容量和大倍率充放電性能。

　　超級計算機

　　由于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了，這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

　　可穿戴設備

　　與韓國成均館大學合作的三星尖端技術研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術進步意味著公司可以開始制造“柔性顯示屏、可穿戴產品和其他下一代電子產品”。

　　抗菌物質

　　中國科學院上海分院的科學家發現，石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。

　　安全套

　　去年，比爾及梅琳達·蓋茨基金會拿出10萬美元獎金，獎勵利用石墨烯創造出更薄、更輕和更穩固的安全套科學家。

　　石墨烯感光元件

　　新加坡南洋理工大學的學者，研發出了一種以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，它可望透過其特殊結構，讓感光元件感光能力比起傳統CMOS或CCD要好上1000倍，而且損耗的能源也只是原來的1/10。

　　傳感器

　　基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。這種傳感器可以植入你的身體中，讀取神經系統信息或同細胞對話。

　　海水淡化

　　研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度勝過現有的海水淡化技術。

　　飛機

　　以石墨烯為基礎的新型材料可以減輕飛機的重量，從而減少其煤油消耗以及二氧化碳的排放。此外，氧化銦錫是飛機駕駛艙屏幕電極制造中不可或缺的一種材料，但造價十分昂貴，石墨烯有希望取而代之。

　　基因電子測序

　　由于導電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的、快速、低成本的基因電子測序技術。

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