近日，在北京市科協(xié)主辦、九三學社北京市委特別支持的第667期“首都科學講堂”上，中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范與北京石墨烯研究院副院長、石墨烯器件技術研究部部長魏迪，向公眾介紹了石墨烯——這款曾獲得2010年諾貝爾獎的明星材料。
透明膠帶撕出來的諾貝爾獎
石墨烯原本就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯——它是由一層碳原子以六角形蜂巢結構周期性緊密堆積構成的二維碳材料。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨，但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因為，早在70多年前的理論研究表明，完美的二維結構晶體無法在非絕對零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。
2004年，兩位英國科學家用一種非常簡單的實驗方法突破了原有理論認知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷這樣操作，薄片越來越薄，最后得到了僅由一層碳原子構成的薄片——這就是石墨烯。理論上雖不可能成功，實驗中卻偏偏被制備出來了。這個發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學界，兩位發(fā)現(xiàn)者共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
“大家經(jīng)常講，石墨烯這個諾貝爾獎是用透明膠帶撕出來的。實際上，我們不能小瞧這么一個簡單但重要的發(fā)現(xiàn)。”劉忠范說，對于科學研究來說，像這兩位科學家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。
石墨烯具有很多神奇性能，因此號稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因為它僅有一個原子層;它是強度最大的材料，理論上強度比鋼強韌200倍;它是導電性最好的材料，電導率是銀的1.6倍;它是導熱性最好的材料，熱導率是銅的13倍。
劉忠范介紹，石墨烯是強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，可以彎曲，又具備超強導熱性與導電性，這讓它的應用前景十分廣闊——它可以做觸摸屏，因為它是透明導電薄膜;也可以用作超快集成電路，因為它里面的電子跑得非?？欤覝叵码娮舆w移率超過硅材料10倍;它是輕質高強材料，在航空航天領域具有非常廣闊的應用前景;它的電磁屏蔽性質，也可以被利用制作隱形飛機、隱身材料……
它，還可能產生一些類似于科幻電影場景的酷炫應用。
“石墨烯的酷炫應用是基于其酷炫材料性能。它有超高載流子遷移率，能讓電子跑得非?？臁Ｈ绻f，常用導電材料是高速路上行駛的汽車，石墨烯就是一輛超跑。”魏迪說，這個性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。
人體能發(fā)射遠紅外光，由于石墨烯具有超高載流子遷移率，遠紅外光投射到它表面后產生的電子可以被迅速采集。這樣一來，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡就可以看到夜里的一切，還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數(shù)據(jù)。同時，由于石墨烯具備透光性，它還能作為顯示屏投射各種信息。當你外出旅行，它可以即時顯示路況、附近酒店、景點、餐館等服務信息。
石墨烯產業(yè)哪家強
不過，理想很豐滿，現(xiàn)實仍骨感。現(xiàn)在你能在市場上買到的石墨烯，很可能都只是石墨。
2018年，《先進材料》上曾發(fā)表一篇論文，作者之一是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。在此，研究者們分析了來自美洲、亞洲與歐洲60家公司的粉體石墨烯樣品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司樣品中石墨烯含量低于10%，且沒有一個樣品石墨烯含量超過50%。
單層石墨烯是實驗室產物，可工業(yè)化大量制備的石墨烯一般有幾層呢?
“從應用角度講，一般大家的共識是10層以下可稱為石墨烯。盡管嚴格意義上講，只有單層石墨片才是真正的石墨烯，而10層以上就是普通的、傳統(tǒng)的粉體石墨。”劉忠范說。
石墨烯一般分成兩類，一類是粉體石墨烯，一類是薄膜石墨烯。這兩類石墨烯制備方法完全不同，應用領域與場景也完全不同。
在規(guī)模化工業(yè)制備中，石墨烯粉體一般采用化學反應剝離石墨層的辦法獲取。然而，這類氧化還原方法常帶來大量廢酸、廢水。比如，用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生產1公斤石墨烯需要耗費50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀與1噸水。
具體到薄膜石墨烯的規(guī)?；苽浞椒ǎ钣写硇缘氖腔瘜W氣相沉積技術，即在高溫爐子里通過高溫化學反應來一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面，在1000攝氏度下通上甲烷，就可以生成一個單原子層石墨烯。
目前，我國石墨烯產業(yè)狀況如何?數(shù)據(jù)顯示，截至今年6月底，我國在工商部門注冊、營業(yè)范圍包括石墨烯相關業(yè)務的企業(yè)已達到1.68萬家。全國已成立石墨烯產業(yè)園29個，石墨烯研究院54家，石墨烯產業(yè)創(chuàng)新中心8個，石墨烯聯(lián)盟12個。
從石墨烯領域發(fā)表的論文數(shù)量來看，2011年起，我國就在全球領先，目前占比超過全球的三分之一。石墨烯領域專利申請數(shù)量在我國也是最多的，約占全球七成。我國粉體石墨烯制備產能很大，已達每年5000多噸。在薄膜石墨烯制備方面，我國也于全球領先，年產能達650萬平方米左右。
“但要注意的是，與歐洲、美國、日本及韓國相比，中國石墨烯行業(yè)的關注點根本不在一個頻道上。國外更多關注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來型技術研發(fā)，而中國非常重視近期實用性產品開發(fā)。”劉忠范說，我們對未來核心技術的關注相對少一點，但從總體上看，中國石墨烯基礎研究與產業(yè)化力量在全球仍處于第一方隊。
魏迪認為，中國石墨烯產業(yè)未來應更多向光電子器件、傳感器件等高附加值產業(yè)布局。
“殺手锏”級應用會是啥
目前，石墨烯已被嘗試在哪些方面應用?
劉忠范介紹，中國石墨烯產業(yè)有“三大件”，一是新能源，將石墨烯用作鋰離子電池的導電添加劑，使電池充電速度更快、電容量提升;二是添加進防腐涂料中，節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅含量，并提升防腐性能;三是大健康領域，比如利用其導熱性能制作眼罩、護膝等理療產品——三者合計，約占我國石墨烯產能九成。
此外，國內也有石墨烯高端產品，比如采用了石墨烯觸摸屏、電池與導熱膜的石墨烯手機等。
那么，國際上在用石墨烯做什么產品?在2019年世界移動通信大會上，設有石墨烯專門展廳，展示了石墨烯在數(shù)據(jù)通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、新能源等領域的應用。比如，用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測有害氣體，用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時探測可見光與紅外光。
石墨烯幾乎無所不能，但目前石墨烯材料應用面廣而不專精。那么，未來什么才是石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級應用呢?
劉忠范說：“‘殺手锏’級用途意味著離開它不行。目前，我們仍未找到石墨烯‘殺手锏’級用途。”未來可能從兩個方向入手，一類是邏輯推理式的用途，另一類是出其不意的用途。
邏輯推理式用途，是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如，現(xiàn)在的透明導電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導熱性、導電性非常好，又是透明柔性的，且僅含便宜的碳原子。未來，石墨烯薄膜用作透明導電薄膜來制作可穿戴柔性電子器件將大有前途，或許能成為“殺手锏”級用途。
非邏輯性的出其不意用途，則需要研究者創(chuàng)意思考。“比如，我們把石墨烯長到藍寶石上，與LED結合起來，做成LED照明器件——其他工藝不變，就可以將發(fā)光效率提升30%以上。”劉忠范說，一旦產業(yè)化，這就是下一代LED節(jié)能照明器件，會全面淘汰現(xiàn)有照明器件，也屬于“殺手锏”級應用。
“‘殺手锏’級應用就是其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨特優(yōu)勢，來開展‘殺手锏’級應用的探索。”魏迪表示，從器件角度來講，可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能，將它與硅基半導體融合使用，制作出有優(yōu)越性能的光電子探測器件、夜視遠紅外探測器件、邏輯電路器件等。(經(jīng)濟日報·中國經(jīng)濟網(wǎng)記者 佘惠敏)
