稀土測(cè)試機(jī)構(gòu)-廣東分析檢測(cè)中心

  日前，在深圳舉辦的第十九屆中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)上，石墨烯作為獨(dú)具特色的新材料再次引起人們的關(guān)注，成為這個(gè)國(guó)內(nèi)規(guī)模、影響力的科技展會(huì)上一個(gè)耀眼的“明星”。石墨烯到底有哪些神奇之處，能為人們帶來(lái)什么驚喜？

  人類正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代，下一個(gè)量子時(shí)代，石墨烯很可能嶄露頭角

  和金剛石一樣，石墨是碳元素的一種存在形式。有趣的是，由于原子結(jié)構(gòu)不同，金剛石是地球上自然界堅(jiān)硬的東西，石墨則成了軟的礦物，常做成石墨棒和鉛筆芯。

  科學(xué)家介紹說(shuō)，石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，只由一層碳原子構(gòu)成、按蜂窩狀六邊形排列的平面晶體。通俗地講，石墨烯就是單層石墨。一塊厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯；鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是好多層石墨烯。

  這種只有一個(gè)原子厚度的二維材料，一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。直至2004年，兩位英國(guó)科學(xué)家成功地從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了其可以單獨(dú)存在，并因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

  據(jù)中國(guó)電科55所所長(zhǎng)、微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任高濤博士介紹，石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)讓它具有更導(dǎo)電、更傳熱、更堅(jiān)硬、更透光等優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面的性能。輕薄、強(qiáng)韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。

  石墨烯的特點(diǎn)首先是薄，堪稱目前上薄的材料，只有一個(gè)原子那么厚，約0.3納米，是一張A4紙厚度的十萬(wàn)分、一根頭發(fā)絲的五十萬(wàn)分。與此同時(shí)，石墨烯比金剛石更硬，透光率高達(dá)97.7%，是上堅(jiān)硬又薄的納米材料。

  同時(shí)，它又能導(dǎo)電。石墨烯的電子運(yùn)行速度達(dá)1000千米/秒，是光速的1/300，非常適合制造下一代超高頻電子器件。石墨烯還是傳導(dǎo)熱量的高手，比能導(dǎo)熱的銀還要強(qiáng)10倍。

  石墨烯的特性，也表現(xiàn)得很“好玩”。比如當(dāng)一滴水在石墨烯表面滾動(dòng)時(shí)，石墨烯能敏銳地“覺(jué)察”到細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生持續(xù)的電流。這種特性給科學(xué)家提供了一種新思路——從水的流動(dòng)中獲取電能。比如，在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘進(jìn)行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等。

  “人類經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時(shí)代，正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代；而下一個(gè)量子時(shí)代哪種材料將嶄露頭角呢？很可能是石墨烯。”浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超說(shuō)。

  未來(lái)電動(dòng)汽車使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿

  由于石墨烯的神奇性能，加上制備簡(jiǎn)便、研究視角多維，其應(yīng)用潛力巨大、適用行業(yè)寬廣，成為搶眼的材料“新星”一點(diǎn)不奇怪。石墨烯從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在僅10余年的時(shí)間，已取得了許多令人震撼的研究成果，稱得上是人類歷史上從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用快的材料。

  高超說(shuō)，從材料化學(xué)角度看，石墨烯會(huì)帶來(lái)資源、環(huán)境、化工、材料、能源、傳感、交通機(jī)械、光電信息、健康智能、航空航天等領(lǐng)域的變化或變革。我國(guó)石墨礦儲(chǔ)量豐富，約占全的75%，其開(kāi)發(fā)將引起碳資源及我國(guó)大資源策略的新定位、新思考、新規(guī)劃。

  石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)則將促進(jìn)化工、機(jī)械、智造、自控等行業(yè)的技術(shù)提升。石墨烯的添加可以產(chǎn)生多功能復(fù)合材料，用來(lái)制造高性能電池、電容器。石墨烯傳感器可以在生物檢測(cè)、光電探測(cè)方面大顯身手，石墨烯及其它二維材料的異質(zhì)疊合材料可制造高性能晶體管。

  可以說(shuō)，石墨烯技術(shù)將對(duì)我們的吃、穿、住、行、用、玩都產(chǎn)生影響。石墨烯復(fù)合膜阻氧阻水性能好，可提高食品保質(zhì)期；石墨烯纖維可制成發(fā)熱服飾和醫(yī)療保健用品；石墨烯電熱膜電熱轉(zhuǎn)換效率高，可逐步代替暖氣供熱；石墨烯系列材料可用于汽車、火車等交通工具，石墨烯導(dǎo)熱膜可用于手機(jī)散熱……

  石墨烯另一個(gè)被寄予厚望的應(yīng)用領(lǐng)域是電能儲(chǔ)存。它的優(yōu)勢(shì)在于充電速度快，而且可以重復(fù)使用幾萬(wàn)次。但目前石墨烯存儲(chǔ)的電量不如電池多，還無(wú)法存儲(chǔ)足夠多的電能。未來(lái)，隨著充電設(shè)施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿。

  中國(guó)電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任孔月嬋博士介紹說(shuō)，石墨烯的電子運(yùn)行速度是硅的十倍，由石墨烯制作的高頻器件理論上工作頻率可以達(dá)到硅的十倍甚至上百倍。石墨烯引發(fā)的技術(shù)革命很可能從人們常見(jiàn)的小小芯片開(kāi)始。

  此外，科研人員已完成柔性襯底晶體管的研制，正在嘗試柔性通訊電路的研制。未來(lái)無(wú)論是可以折疊的顯示屏幕，還是能夠植入人體的可穿戴設(shè)備，都可能靠這樣的石墨烯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  高濤認(rèn)為，即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，石墨烯的神奇性能依然沒(méi)有完全釋放出來(lái)。由于技術(shù)層面還存在著不少挑戰(zhàn)，真正大面積應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。但通過(guò)加強(qiáng)需求和研究的結(jié)合，不斷在石墨烯材料的制備和器件研制方面取得重要突破，創(chuàng)造更多更新更具顛覆性的應(yīng)用，石墨烯這種新一代戰(zhàn)略性新興材料將會(huì)極大改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活。

  國(guó)內(nèi)石墨烯研究與國(guó)外基本同步，有望在不久的將來(lái)形成石墨烯產(chǎn)業(yè)

  石墨烯一直是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，并在不斷升溫。近幾年來(lái)，全球石墨烯相關(guān)的論文和發(fā)明專利幾乎呈指數(shù)式增長(zhǎng)，不僅各類優(yōu)異的物理化學(xué)性能被預(yù)測(cè)、證實(shí)，而且由此生發(fā)出很多具體的研究方向。

  據(jù)了解，許多正在爭(zhēng)奪石墨烯技術(shù)的制高點(diǎn)。歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃以石墨烯傳感為主要研究方向，美國(guó)正在嘗試?yán)檬?shí)現(xiàn)通信的柔性化并取得了顯著的成果，韓國(guó)持續(xù)支持石墨烯柔性顯示的研究并制備出了演示產(chǎn)品。

  高濤說(shuō)，總體來(lái)講，國(guó)際上石墨烯各項(xiàng)優(yōu)異性能正逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)渡，同時(shí)一些潛在的性能或應(yīng)用還在不斷被發(fā)掘。但這個(gè)工程化是一個(gè)長(zhǎng)期而艱難的過(guò)程，給我國(guó)實(shí)現(xiàn)趕超國(guó)際水平、占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)帶來(lái)了絕好的機(jī)遇。

  高超認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)石墨烯研究與國(guó)外基本同步，一些方面有原創(chuàng)和引領(lǐng)性成果。國(guó)內(nèi)研究偏重化學(xué)和材料，國(guó)外更偏機(jī)理和器件。國(guó)內(nèi)石墨烯的研究在理論研究方面可說(shuō)是已實(shí)現(xiàn)與國(guó)際先進(jìn)水平“并跑”，論文、專利無(wú)論數(shù)量還是質(zhì)量都具有很強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。截至2016年3月，中國(guó)石墨烯的專利總數(shù)占全的56%。與此同時(shí)，資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)學(xué)研合作對(duì)接機(jī)制。

  例如，大學(xué)開(kāi)發(fā)出米級(jí)石墨烯單晶薄膜的快速制備技術(shù)；中國(guó)電科55所研制出了上快的柔性石墨烯晶體管；浙江大學(xué)納米高分子團(tuán)隊(duì)則通過(guò)近十年研究，開(kāi)發(fā)出了石墨烯纖維、石墨烯連續(xù)組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無(wú)紡布等。

  受訪專家指出，各個(gè)方向不斷出現(xiàn)令人驚喜的研究成果，讓人們對(duì)石墨烯的未來(lái)充滿期待。但總體來(lái)講，石墨烯技術(shù)成熟度還比較低。對(duì)于石墨烯的發(fā)展，其制約因素或者說(shuō)難點(diǎn)，主要在材料制備技術(shù)、全新設(shè)計(jì)理念和二維操控技術(shù)等方面。其中，高品質(zhì)、大批量的石墨烯原料問(wèn)題暫時(shí)沒(méi)有根本解決，還需要進(jìn)行大量技術(shù)攻關(guān)。有些技術(shù)如單層氧化石墨烯、石墨烯單晶等在實(shí)驗(yàn)室制備成功了，但實(shí)現(xiàn)工程化、連續(xù)性、低成本、穩(wěn)定制備還有較長(zhǎng)的路要走。只有真正高品質(zhì)的石墨烯量產(chǎn)了，顛覆性應(yīng)用才會(huì)出現(xiàn)。

  不過(guò)科學(xué)家們也比較樂(lè)觀，近兩年石墨烯的可控低成本制備技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展，有望在不久的將來(lái)形成石墨烯產(chǎn)業(yè)。