[科普中國(guó)]-走近石墨烯

石墨烯出身于碳家族，這是一個(gè)元素界龐大的家族。碳家族分為兩類，一類叫化合態(tài)，一類叫游離態(tài)。

碳的化合態(tài)是碳和其他元素組成化合物而存在的形式，這是和生命最相關(guān)的物質(zhì)，我們呼吸排出的廢氣——二氧化碳就是碳和氧組成的化合物，生物最基本的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)都是碳的化合物，我們獲取能量的物質(zhì)——葡萄糖是碳水化合物。碳水化合物是很普通的物質(zhì)，隨便拿出一瓶飲料，看看上面的營(yíng)養(yǎng)成分表，一定是有碳水化合物的。

碳的游離態(tài)簡(jiǎn)稱碳單質(zhì)，意思是單由碳組成的物質(zhì)。碳單質(zhì)雖然只含有碳元素，但包括多種形態(tài)，不同形態(tài)各具特色，有著重要的作用，可謂是元素界的名門望族。其中有美麗、耐久且稀少的鉆石，它是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，自古以來，一直被人類視為權(quán)力、威嚴(yán)、地位和富貴的象征?，F(xiàn)在已成為百姓們都可擁有、佩戴的大眾寶石，人們常把它看成是愛情和忠貞的象征，鑲嵌在結(jié)婚戒指上。

碳單質(zhì)的另一種主要存在形式是石墨，與鉆石恰好相反，石墨質(zhì)地很軟。這個(gè)軟和我們生活概念中的柔軟不同，我們通常認(rèn)為果凍和橡皮泥是軟的，石頭是硬的。其實(shí)像石頭這種“硬物體”也是有軟硬之分的，我們可以找兩塊不同的石頭，將其中一塊在另一塊上劃一道痕，如果劃痕是表面的一層，沒有劃破，甚至可以擦去，那么被劃的石頭更硬，如果劃痕是一道印記，不能擦去，那么被劃的石頭更硬。而石墨是很軟的，比紙還軟，所以被用來做鉛筆。所以，鉛筆的筆芯并不是鉛做的，而是石墨。

碳單質(zhì)可是近幾年的明星材料，備受諾貝爾獎(jiǎng)的關(guān)注。1996年柯爾等人因富勒烯而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，富勒烯是60個(gè)碳組成，因形似足球，也叫足球烯。

石墨烯和富勒烯具有很多相似的地方，富勒烯的發(fā)現(xiàn)可以算是為石墨烯的提供了方向。2010年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩人因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯可謂碳家族的后起之秀，近年來備受科研工作者們的追捧，其風(fēng)頭甚至蓋過了它的“先輩”們，可謂長(zhǎng)江后浪推前浪。下面讓我們走近這位材料界的新星 。

石墨烯憑借其諸多優(yōu)良的性質(zhì)，吸引了很多研究人員對(duì)其進(jìn)行研究，也取得了許多突破性的進(jìn)展，目前有很多在實(shí)驗(yàn)室中研究出來了的產(chǎn)品，相信不久就能成為商品，走進(jìn)我們的生活。目前主要應(yīng)用在電池、特種材料、晶體管等方面。

新型電池

石墨烯最早商用的重要應(yīng)用產(chǎn)品之一是電池，也是現(xiàn)在最主要的應(yīng)用研究方向?，F(xiàn)在是電子信息時(shí)代，人們的生活處處離不開電池，小到手表，大到汽車，都離不開電池。然而現(xiàn)在的電池技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的需要，手機(jī)充電太慢，待機(jī)時(shí)間不夠長(zhǎng)，如果簡(jiǎn)單的使用快充和大容量就可能出現(xiàn)三星手機(jī)類似的爆炸事件。另一方面，我們的手機(jī)一般用過兩年后電池就非常不行了，可往往手機(jī)還是好好的，想換電池也不容易，因?yàn)閭鹘y(tǒng)電池還在一步步的發(fā)展，一般兩年后就不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)原來型號(hào)的電池了，所以很難找到相匹配的電池。這些都刺激著新一代的電池出現(xiàn)，新一代的電池需要具備容量大，充電速度快，安全性要有保障，最好還要使用壽命足夠長(zhǎng)。

石墨烯電池的全稱應(yīng)是石墨烯改性鋰離子電池，其應(yīng)用制作電池共有四種方法，一是直接用在負(fù)極;二是作為正極的導(dǎo)電添加劑使用——所有鋰電池都要加導(dǎo)電添加劑，原來是加導(dǎo)電炭黑，現(xiàn)在用石墨烯替換炭黑，這兩種相對(duì)比較低端。三是直接在鋰電池正極表面進(jìn)行包覆，因?yàn)殇囯娬龢O材料是金屬氧化物，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致氧化，導(dǎo)電性減弱，石墨烯覆蓋后會(huì)解決該問題，提升微觀導(dǎo)電性。四是直接作為電極材料的骨架，以此增加正極材料強(qiáng)度，同時(shí)使石墨烯成為了正極的骨骼，整體提升鋰電池壽命，提高微觀導(dǎo)電性和電池的安全性能。2015年“南京國(guó)際節(jié)能與新能源汽車展覽會(huì)”上，來自浙江的超威電池公司宣布，該公司率先將石墨烯材料運(yùn)用于量產(chǎn)電池，據(jù)該公司新能源事業(yè)部副總工程師李有德介紹，他們是在鉛酸電池上進(jìn)行改進(jìn)，鉛酸電池的主要物質(zhì)是鉛合金，通過將石墨烯加入鉛合金中，尋找合適的加入方式和加入的量，可將電池電池容量提升30%、電池壽命延長(zhǎng)30%，而成本僅增加10%。這采用的是第二種方法。2017年2月，碳世紀(jì)在北京汽車博物館召開石墨烯鋰離子五號(hào)充電電池“烯儲(chǔ)霸王”產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，宣告了中國(guó)首款可量產(chǎn)的石墨烯改性的鋰離子電池問世。該電池使用的即是第四種方法?！啊﹥?chǔ)霸王’是石墨烯改性的鈦酸鋰負(fù)極鋰電池，磷酸鐵鋰做正極，采用石墨烯包覆的鈦酸鋰材料做為電池負(fù)極，這大大提高了電子導(dǎo)電率，能夠快速充電。此外，石墨烯包覆后的鈦酸鋰和電池中的電解液反應(yīng)時(shí)產(chǎn)氣率會(huì)大大降低，可有效提高電池的高溫循環(huán)壽命。相比于普通可充電電池(如鎳氫電池)，“烯儲(chǔ)霸王”在工作溫度和充電次數(shù)方面均有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。普通充電的鎳氫電池充電次數(shù)約為1000次，工作溫度在0℃~40℃之間，而“烯儲(chǔ)霸王”在正確的充放電條件下，充電次數(shù)可高達(dá)30000次，工作環(huán)境溫度范圍也可放寬到-40℃~65℃。

上述兩項(xiàng)研究雖然大大提升了電池的性能，但還不能算是革命性的改變。革命性的電池還在實(shí)驗(yàn)室階段，中科院寧波材料所成功研制出基于石墨烯空氣陰極的千瓦級(jí)鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)，金屬空氣電池是一種將金屬材料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源，具有比能量密度高、儲(chǔ)存時(shí)間久、備用時(shí)間長(zhǎng)及適配溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，一般用作緊急情況下的備用電池。通過實(shí)際演示顯示，最新研制的電池系統(tǒng)可同時(shí)為一臺(tái)電視機(jī)、一臺(tái)電腦、一臺(tái)電風(fēng)扇以及10個(gè)60W照明燈泡供電。2018年1月，浙江大學(xué)高超團(tuán)隊(duì)研制出新型鋁—石墨烯電池，其外觀是一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜，它的正極是石墨烯薄膜，負(fù)極是金屬鋁。把兩片電池串聯(lián)在一起，就能點(diǎn)亮一組LED燈。經(jīng)過測(cè)試，石墨烯正極的比容量達(dá)到120mAh/g(毫安時(shí)每克)，在25萬次充放電循環(huán)后仍能保持91%的容量;同時(shí)其倍率性能優(yōu)異，快速充電可1.1秒內(nèi)充滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。同時(shí)，這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環(huán)境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴(yán)寒。在零下30攝氏度的環(huán)境中，這種新型電池能實(shí)現(xiàn)1000次充放電性能不減，而在100度的環(huán)境中，它能實(shí)現(xiàn)4.5萬次穩(wěn)定循環(huán)。這種新型電池是柔性的，將它彎折1萬次后，容量完全保持;而且即使電芯暴露于火焰中也不會(huì)起火或爆炸。

特種材料

一個(gè)國(guó)家要發(fā)展，國(guó)家安全永遠(yuǎn)是擺在第一位的。軍工往往走在科技的最前沿，在石墨烯強(qiáng)度高的性質(zhì)的應(yīng)用上，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究人員利用細(xì)小的管狀石墨烯構(gòu)成一個(gè)擁有與鉆石同等穩(wěn)定性的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)造出了一種泡沫狀材料，這種材料的強(qiáng)度比同重量的鋼材要大207倍，而且能夠以極高的效率導(dǎo)熱和導(dǎo)電。一個(gè)這種石墨烯泡沫能承受力度超過每平方英寸1.45萬磅的外力的重?fù)簟獛缀跸喈?dāng)于在世界海洋最深處（約10.9千米深）位于美國(guó)關(guān)島沿海的馬里亞納海溝，即所謂的“挑戰(zhàn)者”號(hào)海淵的壓力。這種材料如果能夠廣泛運(yùn)用，那么我國(guó)的海底作戰(zhàn)能力將走上一個(gè)新的臺(tái)階。 這種材料還可以被擠壓成其原始大小的約5%，而且依然能夠恢復(fù)其原來的形態(tài)，而且即使這一過程重復(fù)1000次還能保持完好無損。這意味著其可以用在防彈衣的內(nèi)部和坦克的表面作為緩沖墊，以吸收來自射彈(如子彈、炮彈、火箭彈等)的沖擊力。

石墨烯晶體管

21世紀(jì)也是智能化的時(shí)代，人工智能（AI， Artificial Intelligence）的核心部件是中央處理器（CPU,Central Processing Unit），而中央處理器的主要結(jié)構(gòu)就是晶體管。目前我們所用晶體管都是單晶硅（單質(zhì)硅的晶體），從元素周期表上我們可以看到，碳和硅屬于同一主族，具有相似的性質(zhì)，因此碳是有可能替代硅的。硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬。受物理原理的制約，小于10納米后不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。然而英國(guó)科學(xué)家發(fā)明的新型晶體管將延長(zhǎng)摩爾定律的壽命。該晶體管有望為研制新型超高速計(jì)算機(jī)芯片帶來突破。值得一提的是世界最小晶體管的主要研制者也是于2004年開發(fā)出石墨烯的人，他們就是英國(guó)曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的安德烈·K·海姆教授和科斯佳·諾沃謝洛夫研究員。由上述兩人率領(lǐng)的英國(guó)科學(xué)家開發(fā)出的世界最小晶體管僅1個(gè)原子厚10個(gè)原子寬，所采用的材料就是是由單原子層構(gòu)成的石墨烯。硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快得多。有關(guān)專家指出: "硅的速度是有極限的，只能達(dá)到現(xiàn)在這個(gè)地步，無法再提高了。"目前，硅器件的工作速度已達(dá)到千兆赫茲的范圍。而石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。如果能進(jìn)一步開發(fā)，其意義不言而喻。

2008年3月，IBM（美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司 ）沃森研究中心制備出世界上首個(gè)低噪聲石墨烯晶體管，這一成果使石墨烯晶體管開始進(jìn)入人們的視野。在這之后IBM 又成功制備出頻率大于1GHz 的石墨烯晶體管，從而提高石墨烯晶體管的性能，其團(tuán)隊(duì)還對(duì)石墨烯晶體管進(jìn)行模擬仿真，通過計(jì)算結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯晶體管的柵極尺寸為150 nm，它的頻率可以高達(dá)26GHz。而當(dāng)這一尺寸縮小為50 納米時(shí)，其頻率將突破1THz，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的硅基晶體管。在2011 年初，IBM 研究人員向人們展示了具有155GHz超高截止頻率的新一代石墨烯晶體管。同時(shí)這也他們制備的尺寸最小的晶體管，其具有40 納米的選通脈沖寬度。三星電子在2012 年5 月設(shè)計(jì)制備出一種新的石墨烯晶體管，三星公司研究人員稱該石墨烯晶體管可提高現(xiàn)有運(yùn)算能力100倍。斯科物理技術(shù)學(xué)院2016年制作一種雙層結(jié)構(gòu)石墨烯晶體管，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行頻率非常高，但是功耗非常低，因此開關(guān)切換所需的能量極小，這傳統(tǒng)硅材料晶體管所無法比擬的。

石墨烯這么神奇的材料，我們可能會(huì)認(rèn)為它離我們很遠(yuǎn)。實(shí)際上，它就在我們身邊。我們可以用簡(jiǎn)單的方法得到石墨烯，只需要一支鉛筆，一張白紙，用鉛筆在紙上輕輕的劃兩下就很可能有石墨烯了，是不是很意外?？墒沁@樣得到的石墨烯量太少，無法將其分離出來，所以是沒有多大意義的。

石墨烯最開始制取的辦法是看起來比較笨的辦法，它是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫通過用膠帶粘的辦法制得的。是不是更加意外了，諾貝爾獎(jiǎng)這么容易拿的嗎！當(dāng)然不是啦，方法雖然樸素，將石墨兩面粘上交代，然后撕開，一分為二，撕下來的部分繼續(xù)用膠帶一分為二，可是這要反反復(fù)復(fù)幾百次，層數(shù)不斷減半，才有可能得到單層。用力不好就會(huì)完全破壞樣品，成功率非常低，撕了一年的膠帶才得到單層石墨烯，試問有多少人有這恒心。而且，這用的當(dāng)然不是普通的膠帶啦，而是專門用來處理樣品表面的特殊膠帶。

諾獎(jiǎng)的方法雖然制出了石墨烯，但不可能用這種方法來生產(chǎn)的，就算是上百臺(tái)專門撕膠帶的機(jī)器，撕扯力度能夠很好的控制，一年也生產(chǎn)不了多少。于是有科研工作者就在最原始的方法上改進(jìn)，這類方法從石墨出發(fā)，用物理手段如機(jī)械力、超聲波、熱應(yīng)力等破壞石墨層與層之間的范德華力來制備單層石墨烯。主要有兩種操作方法。

機(jī)械研磨法

球磨法是機(jī)械研磨法中常用的方法。研究發(fā)現(xiàn)，球磨過程中石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)由帶狀變?yōu)槎嗫椎膯螌踊蚨鄬悠瑺?。隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨烯片層邊緣處的結(jié)構(gòu)缺陷不斷增多，片層表面出現(xiàn)大量樹枝狀的褶皺，在球磨40小時(shí)、超聲波處理半小時(shí)后得到石墨烯的層數(shù)平均為 3.5 層, 這種方法操作簡(jiǎn)單，但要得到層數(shù)較少的石墨烯所需球磨時(shí)間過長(zhǎng)，易引入其它雜質(zhì)，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

機(jī)械剪切法

與機(jī)械研磨相比，剪切剝離對(duì)石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)破壞較小。帕頓等人使用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為分散劑 ，直接使用高速剪切混合攪拌機(jī)在104s-1剪切速率下對(duì)石墨進(jìn)行了剝離，制得的石墨烯片層尺寸為 300~800 nm、 層數(shù)少于10層。前面的所使用的儀器和試劑都是我們不熟悉的，可曾想過用生活中的儀器和試劑也能制石墨烯。瓦爾拉等人以家用洗滌劑作表面活性劑，直接利用廚房用攪拌機(jī)對(duì)石墨進(jìn)行了高效剝離。研究發(fā)現(xiàn)，該方法制備石墨烯產(chǎn)率與攪拌時(shí)間無關(guān)，而隨剝離體系體積的增大顯著升高，這對(duì)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義。

前面兩種方法雖然能夠制出石墨烯，但厚度不夠薄，尺寸不夠大，皮特等人發(fā)現(xiàn)一種新的制取方式——取向附生法

取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1150 ℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“ 孤島” 布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80 %后，第二層開始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。而且使用的基質(zhì)是稀有金屬釕，成本高。

物理法制備石墨烯雖然產(chǎn)品純度高、原料廉價(jià)易得、流程簡(jiǎn)單，但通常產(chǎn)量較低，產(chǎn)品的質(zhì)量不高，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。所以更多的是化學(xué)法。化學(xué)法是指在特定化學(xué)物質(zhì)及反應(yīng)條件下，以石墨或其它含碳前驅(qū)體為原料，利用化學(xué)氣相沉積、碳原子重排、氧化還原、化學(xué)插層等化學(xué)手段制備石墨烯的方法。

與取向附生法類似的，化學(xué)法中有外延生長(zhǎng)法。外延生長(zhǎng)法主要是通過加熱含碳晶體（如SiC），使除碳以外的元素在高溫下脫除，剩余碳原子重排生成石墨。但該方法有以下兩方面的局限性：①難以生產(chǎn)出大面積、層數(shù)少且厚度均勻的石墨烯；②石墨烯的電學(xué)性質(zhì)受襯底結(jié)構(gòu)影響較大，難以控制。對(duì)此有兩項(xiàng)代表性的研究。一項(xiàng)是嘗試擴(kuò)大外延生長(zhǎng)石墨烯的尺寸，使用氫氣和丙烷將SiC晶片蝕刻為階梯狀，并將其覆蓋在4H-SiC襯底上進(jìn)行了石墨烯生長(zhǎng)。這種方法可保證生長(zhǎng)溫度及硅分壓的均一分布，更易控制SiC的熱分解過程，使石墨烯的生長(zhǎng)區(qū)域更大、質(zhì)量更高。另一項(xiàng)是研究預(yù)處理階段氫氣蝕刻以及Si揮發(fā)階段氬氣對(duì)6H-SiC上石墨烯外延生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，氫氣蝕刻后生長(zhǎng)的石墨烯片層邊緣平整、厚度均勻、單層與雙層石墨烯含量較高。

以上方法目前都難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，目前工業(yè)化最看好的是還原氧化石墨烯法和化學(xué)氣相沉積法。

化學(xué)還原法

還原法先通過在溶液中使用強(qiáng)酸及強(qiáng)氧化劑插層，將石墨變成氧化石墨，氧化石墨可以看做是親水性的石墨插層化合物，其層與層之間的間距比較大。然后經(jīng)過超聲分散或者熱膨脹的過程將其剝離，從而得到單層／多層石墨烯氧化物，根據(jù)需要來通過加入表面活性劑、有機(jī)異氰酸酯等方法來化學(xué)改性，最后經(jīng)過還原過程得到石墨烯。在這個(gè)過程中氧化石墨烯邊緣的接壤處有環(huán)氧基和羥基等官能團(tuán)存在，其次像羥基這種官能團(tuán)是很難被還原的。因此，通過氧化還原法得到的石墨烯在一定程度上破壞了其結(jié)構(gòu)的完整性如：石墨烯表面有缺陷，中間有漏洞等現(xiàn)象，而且也會(huì)造成石墨烯原有的某些性能的損失?？偟膩碚f，利用氧化石墨制備單層石墨烯，由于其過程簡(jiǎn)單易規(guī)?；?，能耗小，同時(shí)便于化學(xué)改性來制備功能化石墨烯復(fù)合材料，是一種很有前途的方法。如何避免石墨烯薄片不可逆凝聚以及提高制備出的石墨烯的質(zhì)量將會(huì)是科研工作者們下一步研究的重點(diǎn)。

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（ＣＶＤ）被認(rèn)為最有可能制備出結(jié)構(gòu)完整、面積大的石墨烯方法。通常將碳源以氣體的形式通入到溫度極高的催化劑或金屬基底上，反應(yīng)持續(xù)一段時(shí)間再通過冷卻或用酸處理，將金屬腐蝕掉來形成石墨烯的單層或多層，此過程包含碳原子在基地上的溶解、延伸?；瘜W(xué)氣相沉積法可以得到質(zhì)量高、面積大、層數(shù)為單層或者少數(shù)層的石墨烯，通過碳源氣體的選擇、催化劑的選擇以及反應(yīng)溫度等條件可以對(duì)石墨烯的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，而且其工藝比較成熟的，可以大規(guī)?；a(chǎn)，在需要高質(zhì)量石墨烯的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。缺

點(diǎn)在于成本較高，如何降低制備成本有待科研工作者們的進(jìn)一步研究。

石墨烯的制備還有很多其他方法，如有機(jī)合成法，電化學(xué)法等。但這些方法都有一個(gè)特點(diǎn)，要么質(zhì)量不高，產(chǎn)量不高，要么成本太高。高質(zhì)量的石墨烯比黃金還貴，這可真是物以“烯”為貴啊！

名字是一個(gè)象征，其中包含了很多信息。石墨烯，其名字可拆為石墨和烯。石墨是指來源，石墨烯最開始被發(fā)現(xiàn)，是安德烈·蓋姆等人用特殊膠帶從石墨上粘下來的。龍生龍，鳳生鳳，石墨烯固然繼承了石墨的結(jié)構(gòu)和很多性質(zhì)。那么石墨石墨又做何解呢？石是石頭，墨是黑色，那么石墨應(yīng)該就是黑色的石頭 ，這樣一來，是不是覺得石墨烯這名字low了很多呢！但墨字還是挺有意思的，文房四寶之一，是中華傳統(tǒng)的書法繪畫得以傳承的重要工具，這樣想來，是不是又覺得高大上多了呢！。那么烯呢？從字面上看，火字旁，那么八成是用來燒的，希是少的意思，那就是還缺少點(diǎn)什么。實(shí)際上，烯是化學(xué)中的一個(gè)專業(yè)名詞【1】，代表的是不飽和度。簡(jiǎn)單的說，一個(gè)碳原子本來可以連4個(gè)原子，但有時(shí)可以只連三個(gè)，少了一個(gè)就叫烯。

注釋：【1】烯是碳?xì)浠衔镏刑己吞贾g的一種不飽和連接狀態(tài)。當(dāng)每個(gè)碳原子都和4個(gè)原子相連時(shí)，叫做烷，這是一種鍵(原子間的一種結(jié)合力)的飽和狀態(tài)；當(dāng)有碳原子只和三個(gè)原子相連，因其中兩個(gè)碳原子連接更緊密（雙鍵）時(shí)，叫做烯，這是鍵的不飽和狀態(tài) ，當(dāng)其中兩個(gè)碳原子連接更加緊密（三鍵）時(shí)，叫做炔，這是鍵的極不飽和狀態(tài)。

石墨烯作為一種明星材料，是不是該具備極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)呢？答案是否定的，石墨烯的結(jié)構(gòu)其實(shí)很簡(jiǎn)單，和石墨的結(jié)構(gòu)差不多。我們可以通過石墨來看看石墨烯到底是什么樣子。

科學(xué)家為了研究方便，把結(jié)構(gòu)分了7大類型，我們通常研究的是立方結(jié)構(gòu)。如通常的宿舍樓，小區(qū)樓，可以看成是簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)，將房間簡(jiǎn)化成圓球。

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是豐富多樣的，總共有230種，為了更了解結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們從碳的相關(guān)結(jié)構(gòu)切入。石墨和鉆石是“兩兄弟”，可是石墨和鉆石的性質(zhì)卻大相徑庭，這源于它們的結(jié)構(gòu)差異。鉆石的結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖中的圓圈代表碳原子，可以看出，碳原子堆積得比較緊密，如果仔細(xì)觀察的話，其中相鄰最近的幾個(gè)碳原子的排列方式是正四面體形，一個(gè)碳原子占據(jù)正四面體的中心，另外四個(gè)碳原子在四個(gè)頂點(diǎn)。

石墨的結(jié)構(gòu)與鉆石的完全不同，如圖所示，石墨是一種層狀結(jié)構(gòu)，每一層中每個(gè)碳原子的周邊連結(jié)著另外三個(gè)碳原子，排列方式呈蜂巢式的多個(gè)正六邊形，看起來像一張網(wǎng)。然后一層層的網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)堆疊在一起就成了石墨的結(jié)構(gòu)，這些層上下的對(duì)齊方式不同就有不同的類型。層與層之間的間距要比每一層中碳原子的間距大得多，所以結(jié)合力較小，層與層之間可以滑動(dòng)，這也石墨較軟的原因。石墨烯就是石墨上剝離下來的一層，這個(gè)一層可不是像切菜那樣切下來的一層，而是原子級(jí)厚度的一層，是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，由碳原子排成的平面。這一層的結(jié)構(gòu)與石墨的結(jié)構(gòu)別無二致，但是它的出現(xiàn)卻震驚了凝聚體物理學(xué)界。因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在 ，只能在絕對(duì)零度（零下273.15度）下才能穩(wěn)定存在，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)計(jì)算的結(jié)果。也就是說，石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前被認(rèn)為是不可能存在的。然而石墨烯的發(fā)現(xiàn)打破了這一認(rèn)識(shí)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也在提醒我們，真理的追求是永無止境的，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式需要不斷優(yōu)化，如條件的設(shè)定。

凝聚現(xiàn)象在生活中很常見，比如在玻璃缸里盛水，要使水層的厚度變薄可以不斷的減少玻璃缸中的水，但如果減少到一定的程度，想讓玻璃上附上一層薄薄的水膜，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)水膜很容易就開裂然后凝成大小不一的水珠。這種現(xiàn)象在我們擦玻璃的時(shí)候也能看到，用濕毛巾擦完玻璃后，玻璃上的水并不能穩(wěn)定的成一層水膜。也可以說像用面粉磨面皮一樣，磨薄的程度是有限的，薄到一定程度面皮就會(huì)開裂。然而石墨烯卻能以原子級(jí)的厚度穩(wěn)定存在，其厚度僅為0.335納米，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一的厚度，一毫米厚的石墨中將近有150萬層石墨烯。石墨烯的穩(wěn)定性與其蜂巢式的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。蜂巢結(jié)構(gòu)是大自然的鬼斧神工，是大自然給與蜜蜂勤勞的饋贈(zèng)。蜂巢結(jié)構(gòu)是正六邊形結(jié)構(gòu)，事實(shí)和理論證明，蜂巢采用了最少的蜂蠟，占有最大的空間面積，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為最佳。為了更清楚的了解石墨烯的結(jié)構(gòu)，我們可以自己搭建石墨烯模型。只需要一盤跳棋就能做到，將跳棋棋子視為碳原子，將其擺到合適的位置就能成正六邊形結(jié)構(gòu)石墨烯可視為石墨，碳納米管，富勒烯的基本單元。如下圖所示，單層石墨烯包卷起來就成了富勒烯；單層石墨烯卷成管狀就成了碳納米管；十層以上的石墨烯堆疊在一起就成了石墨。

迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了石墨烯很多優(yōu)良的性質(zhì)。科學(xué)研究往往需要對(duì)這些表現(xiàn)出來的性質(zhì)進(jìn)行解釋，經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，所以我們能夠通過物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來解釋這些性質(zhì)，進(jìn)而還可以預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)。

先從我們可直接感受的性質(zhì)來看，我們五官可直接感受的性質(zhì)有顏色與強(qiáng)度。石墨是鐵黑色的，但石墨烯并不是黑色，因?yàn)槭┖鼙?，所以它幾乎是完全透明的，只吸?.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。

石墨烯的抗拉扯能力也非常出色，從我們的生活經(jīng)驗(yàn)來看，越薄的東西越不結(jié)實(shí)，一塊木板很結(jié)實(shí)，但從木板上刨下來的刨花卻能夠被輕松扯斷，石墨烯的厚度不到刨花的一萬分之一，然而石墨烯是目前已知強(qiáng)度最高的材料之一?；蛟S這就是家族背景吧，在發(fā)現(xiàn)石墨烯之前，金剛石是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的眾多天然存在中最堅(jiān)硬的物質(zhì) ，金剛石俗稱"金剛鉆"，也就是我們常說的鉆石的原身 。那么石墨烯到底有多強(qiáng)韌呢？哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在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居然達(dá)到了大約2.9微牛（牛是牛頓的簡(jiǎn)稱，1牛頓=1000000微牛，地球上1千克物質(zhì)的重量約為9.8牛頓）。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，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。當(dāng)然這只是測(cè)算，并不是實(shí)測(cè)結(jié)果，但可以預(yù)見實(shí)際情況也不會(huì)差太多。

在電學(xué)和熱學(xué)性能上，石墨烯繼承了石墨的性質(zhì)，并且青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。石墨具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，石墨烯更是將這兩種性質(zhì)發(fā)揮到了極致。

石墨可以導(dǎo)電？這你就不知道了吧！我們知道金屬是可以導(dǎo)電的，因?yàn)榻饘僦杏锌梢宰杂梢苿?dòng)的電子，其中導(dǎo)電性最好的是銀?？煞墙饘僭趺纯梢詫?dǎo)電呢，我們可以先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備一支兩頭削好的鉛筆，和一個(gè)打火機(jī)上的電火花發(fā)生器，我們已經(jīng)知道了鉛筆的筆芯是石墨組成的，所以在鉛筆的一端打出電火花，用手指在另一端觸碰會(huì)感到有輕微酥麻的感覺，這就證明了石墨是可以導(dǎo)電的。石墨能夠?qū)щ娛且驗(yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來傳輸電荷。現(xiàn)在的電池普遍使用的是石墨作電極材料，如果你砸開過5號(hào)或7號(hào)電池，你就能看到里面有一根黑色的小棒，那就是用作電極的石墨，手機(jī)上的鋰電池也是用石墨作電極的。

石墨烯的導(dǎo)電能力比石墨更好，是目前已知導(dǎo)電性最好的非金屬， 這得益于石墨烯的結(jié)構(gòu)。石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

石墨的導(dǎo)熱性也是非常出色的，在電子產(chǎn)品尤其是手機(jī)上應(yīng)用非常廣泛。拆下手機(jī)的后蓋，可以發(fā)現(xiàn)后蓋有黑色的東西貼在后蓋上，這就是用來導(dǎo)熱的，通常采用的材料就是石墨 。鐵的導(dǎo)熱性不錯(cuò)，所以被用來作鍋，石墨的導(dǎo)熱能力是鐵的4倍左右，而石墨烯的導(dǎo)熱能力是石墨的35倍左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于石墨。石墨烯太薄，無法直接用來代替石墨，因此中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究出高導(dǎo)熱石墨烯/碳纖維柔性復(fù)合薄膜，其厚度在10～200微米之間可控，垂直于平面方向的導(dǎo)熱能力是石墨的6倍左右。但薄也有薄的好處，這使其有望作為未來超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。

除了這些，石墨烯還具有我們很陌生但很重要的性質(zhì)，石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。為了進(jìn)一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，我們先對(duì)相對(duì)論量子力學(xué)或稱量子電動(dòng)力學(xué)做一些了解。經(jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)能量較低的電子遇到勢(shì)壘的時(shí)候，如果能量不足以讓它爬升到勢(shì)壘的頂端，那它就只能待在這一側(cè)；在量子力學(xué)中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當(dāng)它遇到勢(shì)壘的時(shí)候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是零到一之間的一個(gè)數(shù)；而當(dāng)石墨烯中電子波以極快的速度運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘前時(shí)，就需要用量子電動(dòng)力學(xué)來解釋。量子電動(dòng)力學(xué)作出了一個(gè)更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)。以下實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子電動(dòng)力學(xué)的預(yù)言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓（相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘），然后測(cè)定石墨烯的電導(dǎo)率。一般認(rèn)為，增加了額外的勢(shì)壘，電阻也會(huì)隨之增加，但事實(shí)并非如此，因?yàn)樗械牧Ｗ佣及l(fā)生了量子隧道效應(yīng)，通過率達(dá)100%。這也解釋了石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性：相對(duì)論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。

石墨烯被認(rèn)為是將會(huì)改變21世紀(jì)的材料，如果真是這樣，那么世界將會(huì)變成什么樣子呢?？赡艿脑?，我們的衣食住行都會(huì)煥然一新，能源和環(huán)境問題也能雙雙得到解決，甚至可以乘電梯去外太空。

石墨烯在醫(yī)療和環(huán)境上將有大作為。據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)驗(yàn)制備出最小尺寸的石墨烯通道，可以顯著提升納米尺度下水的輸運(yùn)效率，為設(shè)計(jì)用于海水淡化、氣體分離、人體仿生的新型納米流體器件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

海水淡化技術(shù)

淡水短缺是當(dāng)今世界面臨的嚴(yán)峻問題之一。地球上雖然水資源很豐富，但其中96.5%的是海水，并不能直接使用，而淡水還有約69%是以冰川的形式儲(chǔ)存在南北極。剩下的淡水還經(jīng)受著工業(yè)三廢（廢水，廢氣，廢渣）的污染，使得很多地區(qū)淡水嚴(yán)重不足， 我國(guó)約有670個(gè)城市中，一半以上存在著不同程度的缺水現(xiàn)象，其中嚴(yán)重缺水的有一百一十多個(gè)。因此人們迫切需求水的凈化技術(shù)。另一方面，西亞等地區(qū)雖然臨海，但奈何海水無法直接飲用，如果開發(fā)出有效的海水淡化處理技術(shù)，淡水短缺這以全球性問題將得到有效解決。

美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)原子中心主任與日本信州大學(xué)的研究人員合作，開發(fā)出一種基于石墨烯的脫鹽膜，比目前的各種過濾膜更堅(jiān)固耐用、效率更高。 該研究開發(fā)的雜化膜采用簡(jiǎn)單的噴涂技術(shù)將溶液中的氧化石墨烯和少量層狀石墨烯包覆在聚乙烯醇改性聚砜的骨架支撐膜上。支撐膜增強(qiáng)了雜化膜的牢固性，使其能夠承受強(qiáng)烈的橫流、高壓和氯接觸。盡管目前該技術(shù)還處于開發(fā)的早期階段，膜樣品已可過濾掉85%的鹽，制取的水雖還不能直接飲用，但已可用于農(nóng)業(yè)灌溉。研制的膜還能夠過濾掉96%的染料分子，因此可以用于紡織工業(yè)的廢水處理，防止廢水直接排放到河流中污染環(huán)境。

如果這項(xiàng)技術(shù)成熟，那么人人都可以喝到干凈的水了，伴隨著的是疾病將會(huì)大大減少

人造皮膚

皮膚是人們不太關(guān)注的對(duì)象，因?yàn)槿粘Ｉ钪衅つw被刮擦很多次也不見有什么問題，更何況還要脫去死皮呢。但皮膚是人體非常重要的夜歌器官，除了我們最熟悉的感受冷熱和壓力的觸覺外，還有兩個(gè)重要的作用。一方面防止體內(nèi)水份、電解質(zhì)、其他物質(zhì)丟失；另一方面阻止外界有害物質(zhì)的侵入?？墒乾F(xiàn)代醫(yī)學(xué)還沒有合適的人造皮膚，如果遭遇燒燙傷、車禍、外傷等引起皮膚缺損，形成皮膚創(chuàng)面，將極易導(dǎo)致水、電解質(zhì)和酸堿平衡失調(diào)、休克、感染以及敗血癥的發(fā)生。皮膚是人體免疫系統(tǒng)中極其重要的第一道防線，如果是大面積的皮膚損傷，即使安全度過了前期，也會(huì)因?yàn)閱适庖吡Χ腥净蚧及┌Y而死。

重慶石墨烯研究院有限公司與四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院的科研人員合作研究了“石墨烯高分子復(fù)合人工皮膚”。這個(gè)團(tuán)隊(duì)也是率先在國(guó)際上開展石墨烯高分子復(fù)合人工皮膚的實(shí)驗(yàn)研究的團(tuán)隊(duì)，并取得新突破。與現(xiàn)有人工皮膚相比，石墨烯用于人工皮膚的優(yōu)勢(shì)在于：石墨烯具有良好的力學(xué)性能、巨大的比表面積、良好的生物相容性、無毒無味；復(fù)合材料中的氧化石墨烯具有強(qiáng)大的抑菌作用，賦予人工皮膚抗菌性，起到殺菌消炎效果；石墨烯可調(diào)控復(fù)合材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)氣體交換，加速傷口愈合；石墨烯可通過改變細(xì)胞外膠原排列而明顯改善創(chuàng)面修復(fù)質(zhì)量。目前，“石墨烯高分子復(fù)合人工皮膚”已進(jìn)入臨床試驗(yàn)，不久后即將進(jìn)入臨床應(yīng)用?！斑@款產(chǎn)品的研發(fā)成功，為未來研究真正可替代、置換人類皮膚的產(chǎn)品邁進(jìn)了一步?！?/p>

柔性手機(jī)

手機(jī)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚碾娮悠骷?，手機(jī)兼具了聯(lián)系工具、照相機(jī)、錢包、鑰匙等能。但還是有很多讓我們困擾的缺陷，其中最頭疼當(dāng)屬不經(jīng)摔和電池不耐用了。相信每個(gè)人都遭遇過摔碎手機(jī)屏幕的窘境，都體會(huì)過手機(jī)沒電的尷尬。為了解決這些問題，我們也給出了相應(yīng)的對(duì)策，為了保護(hù)屏幕，我們給手機(jī)帶保護(hù)套，貼鋼化膜，為了避免手機(jī)沒電，我們隨身攜帶著充電寶。然而這些并不能從根本上解決問題，還因增加附重和厚度影響體驗(yàn)。未來的手機(jī)如何解決這些問題，希望落在了石墨烯上。

石墨烯手機(jī)炒得熱，但真正意義上的石墨烯手機(jī)還未出現(xiàn)。石墨烯應(yīng)用到手機(jī)上三個(gè)最重要的特性是強(qiáng)度高、可彎曲、和導(dǎo)電性。目前，市面上常見的觸摸屏非常脆，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ怯勉熷a氧化物制成，并覆蓋上了一層玻璃，這樣當(dāng)它墜落到地上的時(shí)候，很容易就會(huì)被摔得粉碎。這種銦錫氧化物不僅易碎，它的制備還很困難，這讓維修觸摸屏的費(fèi)用一直高居不下，以至于每次換屏?xí)r都恨不得直接換手機(jī)。英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的科學(xué)家們通過研究發(fā)現(xiàn)，我們可以將石墨烯和銀納米線結(jié)合到一起，生成一種和常規(guī)顯示屏性能相似的屏幕，而這種制造技術(shù)的成本只是常規(guī)顯示屏制造成本的一小部分。這種材料同時(shí)還非常柔韌，這樣一來，它就無需一個(gè)玻璃保護(hù)層，這意味著觸摸屏的頂層可以替換成一些更易彎曲、更不易被摔壞的材料，比如有機(jī)玻璃。傳統(tǒng)電池容量受安全性和穩(wěn)定性的限制，電池容量始終難以提高。浙江大學(xué)研究出來的石墨烯柔性電池，將它彎折1萬次后，容量完全保持;而且即使電芯暴露于火焰中也不會(huì)起火或爆炸。這兩項(xiàng)技術(shù)目前還在實(shí)驗(yàn)室階段，而且柔性手機(jī)是還不算高端，未來的手機(jī)可能會(huì)是透明的，手機(jī)的運(yùn)行速度可能會(huì)成倍的提高。

前面所述的只是有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的想象，石墨烯還有更廣闊的前景，很多科學(xué)家們夢(mèng)想著的太空電梯有望通過石墨烯實(shí)現(xiàn)。太空電梯的概念最早來自20世紀(jì)年70年代，著名的火箭科學(xué)先驅(qū)者齊奧爾科夫斯基設(shè)想了一個(gè)建立在巨塔頂端的"天空城堡"，和地面用一根纜繩連接起來，成為向太空運(yùn)輸人和物的新捷徑?？苹米骷野⑸た死嗽?978年出版的《天堂之泉》("Fountains of Paradise")中曾描寫過太空電梯的構(gòu)想，人們可乘電梯去太空觀光并運(yùn)送貨物。雖然聽起來很不可思議，但在科學(xué)家們的努力下，漸漸變得可能了，最大的難題是要找到一根足夠結(jié)實(shí)的纜繩，這根纜繩不僅要能夠承擔(dān)被運(yùn)輸物體的重量，還要承擔(dān)自身上萬公里長(zhǎng)度的重量。石墨烯的超輕和超高強(qiáng)度給這一研究帶來了新的曙光，未來如果太空電梯實(shí)現(xiàn)，那么去太空將變得方便多了。

愛因斯坦說過：“想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。嚴(yán)肅地說，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素?！笔┑陌l(fā)展也需要想象，這種想象不一定要來自專門從事石墨烯研究的人，因?yàn)樗麄兊闹R(shí)雖然足夠?qū)I(yè)，但他們的想象力也被固定的知識(shí)限制住了。因此，展開我們的想象，或許也能為科學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力。比如我們可以想一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法。我們平時(shí)會(huì)看到炒菜的鍋燒久了后，下面會(huì)出現(xiàn)一層碳黑，那么石墨烯會(huì)不會(huì)也可以用這樣簡(jiǎn)單的方法制出來呢，把鐵換成別的材料，控制好燒的時(shí)間，說不定真的可以。如果不行的話，那就讓碳升華，然后在以塊較冷的基體上凝華，也是有可能產(chǎn)出石墨烯的。

想象力雖然重要，但沒有科學(xué)素養(yǎng)也是不行的，如果沒有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，像個(gè)沒頭蒼蠅一樣去探索，那也是前途渺茫。每個(gè)人的能力是有限的，前人花費(fèi)畢生精力研究出來的成果是我們寶貴的財(cái)富。通過學(xué)習(xí)前人的經(jīng)驗(yàn)，豐富我們的認(rèn)知，才能更好的參與科學(xué)探索。

然而，對(duì)于大多數(shù)普通人來說，前兩項(xiàng)并不是最重要的。最重要的是要有辨別真?zhèn)蔚哪芰?，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)極其發(fā)達(dá)的時(shí)代，信息泛濫也是一種災(zāi)難，因?yàn)樾畔⑻鄬?dǎo)致我們難辨真假。特別是像網(wǎng)絡(luò)上傳的什么不能吃，什么吃了好，絕大部分都是虛假的，有的是謠言，有的是炒作。于本文而言，想告訴大家的是，石墨烯不想網(wǎng)上傳得那樣無所不能，它也只是一種材料。雖然石墨烯的確有許多優(yōu)異的性質(zhì)，但還沒有大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的能力，所以我們不要迷信這個(gè)材料，只需保持期待。

對(duì)于我國(guó)石墨烯行業(yè)發(fā)展認(rèn)識(shí)應(yīng)該從技術(shù)、政策和企業(yè)參與度三個(gè)方面來看，技術(shù)、政策和企業(yè)參與度。技術(shù)是基礎(chǔ)，政策是保證，企業(yè)參與度是動(dòng)力

在技術(shù)方面，我國(guó)是申請(qǐng)石墨烯專利數(shù)量最多的國(guó)家，占專利總數(shù)的1/3，約兩千多項(xiàng)。我國(guó)人口眾多，而且大多數(shù)科研工作者都喜歡研究熱門材料，因此基本上每所高校都會(huì)有研究石墨烯課題的。許多大學(xué)也取得了很好的成果，在2017中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，展示了從國(guó)內(nèi)外征集的100多項(xiàng)石墨烯科研創(chuàng)新成果，其中有濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院冷金鳳教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，這種新型材料具有高強(qiáng)高塑性高韌性，不僅集中了碳化硅鋁基復(fù)合材料、鋁合金等材料的優(yōu)點(diǎn)，還可彌補(bǔ)其不足，不大幅增加成本，可作為航空航天飛行器、軌道車輛等領(lǐng)域關(guān)鍵材料。還有上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授沈淑玲帶來的高質(zhì)量水溶性石墨烯量子點(diǎn)制備技術(shù)及配方，有望實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)大批量低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。雖然中國(guó)論文和專利產(chǎn)出量已領(lǐng)跑全球，但相對(duì)而言，中國(guó)專利在其他國(guó)家的布局較為薄弱。

在政策方面， 2015年，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》?！兑庖姟分刑岢觯┦窃诠?、電、熱、力等方面具有優(yōu)異性能，極具應(yīng)用潛力、可廣泛服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新材料。發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，對(duì)帶動(dòng)相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提升創(chuàng)新能力，加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，激活潛在消費(fèi)等，都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義?？梢妵?guó)家十分重視石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石墨烯的發(fā)展有助于推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)?！兑庖姟饭膭?lì)企業(yè)與高校、科研院所、知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)構(gòu)等，協(xié)同開展石墨烯產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)運(yùn)用保護(hù)體系建設(shè)，提升專利的數(shù)量和質(zhì)量，定期發(fā)布石墨烯產(chǎn)業(yè)專利態(tài)勢(shì)，建立石墨烯知識(shí)產(chǎn)權(quán)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易和保護(hù)機(jī)制，促進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)高效利用。因此國(guó)家對(duì)石墨烯相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)也非常重視。《意見》提出要搭建產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)平臺(tái)。依托現(xiàn)有資源，完善石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需公共研發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)化、檢驗(yàn)檢測(cè)與信息交流等平臺(tái)，建立開放的石墨烯材料與器件性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。引導(dǎo)石墨烯材料生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合下游用戶、相關(guān)科研院所，圍繞石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)和性能評(píng)價(jià)，建立合作開發(fā)機(jī)制。由此可見，我國(guó)在政策方面對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)是大力支持的，這為石墨烯的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。

在企業(yè)參與度方面，我國(guó)參與的企業(yè)十分的多，據(jù)中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長(zhǎng)李義春介紹，截至017年5月底，我國(guó)擁有石墨烯專利技術(shù)，從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、推廣的相關(guān)企業(yè)數(shù)量達(dá)到2000多家，其中已形成石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)超過50家，2016年國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)整體營(yíng)收超過40億元，是2015年的近10倍。我國(guó)基本形成以長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀為聚合區(qū)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，其中，江蘇、廣東和山東的石墨烯行業(yè)企業(yè)數(shù)居前三位。其中最為突出的是常州石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園，2016年，常州西太湖科技產(chǎn)業(yè)園石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)總規(guī)模超過20億元，園區(qū)已集聚石墨烯相關(guān)企業(yè)超過100家，創(chuàng)造了石墨烯領(lǐng)域十個(gè)“全球第一”。企業(yè)的參與度太高也不是件好事，現(xiàn)在隨便在網(wǎng)上搜索石墨烯，就會(huì)出現(xiàn)許多石墨烯的炒作，石墨烯的研究并未成熟，高質(zhì)量的石墨烯還無法大規(guī)模的生產(chǎn)，本不該有如此多的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)的石墨烯研究高歌猛進(jìn)，國(guó)外的研究也熱火朝天，代表石墨烯國(guó)外發(fā)展的國(guó)家是英國(guó)和美國(guó)。眾所周知，英國(guó)作為最早發(fā)現(xiàn)石墨烯的國(guó)家，科研水平一直走在時(shí)代前沿，但相關(guān)應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯落后于亞洲國(guó)家。美國(guó)是科研與應(yīng)用同步發(fā)展最好的國(guó)家，無論是石墨烯科研投入還是產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展都具有顯著的超前性，此外，利用良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生出眾多小型石墨烯企業(yè)，形式靈活，創(chuàng)新動(dòng)力強(qiáng)勁。為了彌補(bǔ)小企業(yè)規(guī)模化偏小的不足，美國(guó)還鼓勵(lì)眾多研發(fā)實(shí)力強(qiáng)勁的大型創(chuàng)新企業(yè)加入到石墨烯應(yīng)用研究的大軍中，如鼓勵(lì)英特爾(Intel)、波音(Boeing)等投入大量的科研力量進(jìn)行石墨烯的研發(fā)。同樣發(fā)展思路的歐盟，力求開拓學(xué)術(shù)研究和工業(yè)巨頭聯(lián)合研發(fā)的新局面，開展石墨烯的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化以及應(yīng)用的推進(jìn)，聯(lián)合巴斯夫(BASF)、拜耳公司(BAYER)等公司開展石墨烯應(yīng)用研究。

石墨烯的基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用正在快速發(fā)展之中，全球石墨烯研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本等主要的技術(shù)原創(chuàng)國(guó)家已逐漸形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)格局。目前全球共發(fā)表了7萬余篇和石墨烯相關(guān)的論文，2萬余項(xiàng)石墨烯專利獲授權(quán)。近3年來，論文發(fā)表及專利申請(qǐng)仍保持上升態(tài)勢(shì)。放眼全球，包括美國(guó)、歐盟、日本在內(nèi)的80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，都將石墨烯研究和應(yīng)用作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，有的國(guó)家已將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。可見石墨烯的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其顏色為棕黃色，市面上常見的產(chǎn)品有粉末狀、片狀以及溶液狀的。因經(jīng)氧化后，其上含氧官能團(tuán)增多而使性質(zhì)較石墨烯更加活潑，可經(jīng)由各種與含氧官能團(tuán)的反應(yīng)而改善本身性質(zhì)。

追根溯源，氧化石墨烯的發(fā)現(xiàn)算是比石墨還早。氧化石墨烯的第一次制備可追溯到1859年,英國(guó)化學(xué)家布諾德過將KClO3加入到石墨粉和硝酸的混合物中得到了含有C,H,O三種元素的化合物，并發(fā)現(xiàn)這種化合物可分散在純水或者堿性介質(zhì)中，但不能分散在酸性介質(zhì)中，所當(dāng)時(shí)給其起名為＂石墨酸＂。40年后，該方法得到改進(jìn)，在體系中加入了濃硫酸和硝酸的混合酸作氧化劑，大大地加快了反應(yīng)速率，使得產(chǎn)品的氧化程度大大提高，且整個(gè)合成過程可在同一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器中進(jìn)行。1958年，哈默和奧夫曼開發(fā)了一種新的氧化方法，即采用濃硫酸和高錳酸鉀的混合物作為氧化劑，進(jìn)一步縮短了反應(yīng)時(shí)間，加快了反應(yīng)速率，并得到相似的產(chǎn)品。

目前關(guān)于以石墨為原料制備氧化石墨烯的機(jī)理和氧化石墨巧本身的結(jié)構(gòu)仍然存在爭(zhēng)議，當(dāng)前被普通接受的結(jié)構(gòu)模型是非化學(xué)計(jì)量比模型。

由于氧化石墨烯的表面含氧基團(tuán)使得層間的相互作用大大降低，可以通過加熱或者機(jī)械手段使其剝離分開。超聲處理是一種常用的在水相或者極性有機(jī)溶劑中剝離制備氧化石墨烯的方法，這種方法快速、高效，可以得到基本上完全分離的單層氧化石墨烯。氧化石墨烯在不同溶劑中的分散性對(duì)其進(jìn)一步加工或者功能化非常重要，這主要依賴于溶劑的種類和制備氧化石墨烯的氧化過程中引入的官能團(tuán)的量。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯表面的極性越大，其分散性越好，在水中的分散度大約在1-4mg/ml。除水之外，氧化石墨烯烴可以分散在某些有機(jī)溶劑中。

與機(jī)械剝離的石墨烯相化，氧化石墨烯的物理化學(xué)性質(zhì)都有明顯的改變，使得其電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能大大降低；同時(shí)含氧官能團(tuán)的引入可以使石墨巧的性質(zhì)由零帶隙半金屬性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性質(zhì)甚至絕緣體性質(zhì)。此外，氧化石墨烯強(qiáng)烈的親水性及豐富的含氧官能團(tuán)，將給其帶來許多迷人的應(yīng)用前景。與具有金屬態(tài)導(dǎo)電性的石墨烯不同，隨著氧化程度的不同Ｉ氧化石墨烯可以從半導(dǎo)體變成絕緣體。由于雜原子的存在，氧化石墨烯存在帶隙，與石墨烯的零帶隙不同，所以利用氧化石墨烯可以觀察到近紅外、可見光和紫外區(qū)的熒光現(xiàn)象氧化石墨烯的光電性質(zhì)可通過其表面的含氧基團(tuán)進(jìn)行調(diào)控，具有不同光電性質(zhì)的氧化石墨烯可以用作生物傳感器和藥物投遞。由于其易加工性，氧化石墨烯可以用于藍(lán)色發(fā)光二極管、固體照明的白光發(fā)射和柔性顯示器等。此外，氧化石墨烯可以在水溶液中自組裝形成手性的液晶，且在其凍干成膜后仍然保持這種液晶排列，這使得氧化石墨烯材料可用于顯示器、防偽材料等領(lǐng)域。

氧化石墨烯有三種不同的修飾方式一種是非共價(jià)鍵修飾，非共價(jià)修飾主要是通過氧化石墨烯和功能化分子之間的靜電作用、堆積作用、氨鍵以及范德華力等弱的相互作用來修飾氧化石墨烯，如物理吸附和聚合物包裹。一種是共價(jià)鍵修飾，共價(jià)修飾主要是利用氧化石墨烯的表面含氧團(tuán)與修飾物之間以共價(jià)鍵的形式相互連接。氧化石墨烯表面的環(huán)氧基、羥基、羰基及羧基等含氧基團(tuán)，使其具有與有機(jī)物、無機(jī)物及納米粒子發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)活性部位。還有一種是納米粒子修飾，將金屬或金屬氧化物納米粒子負(fù)載在石墨烯表面構(gòu)建石墨烯基納米功能復(fù)合。

氧化石墨烯的應(yīng)用十分廣泛，不同維度的石墨烯有著不同的作用。

零維材料（石墨烯和氧化石墨烯的量子點(diǎn)及納米膠囊結(jié)構(gòu)）

利用微觀的氧化石墨烯薄片或者石墨烯薄片構(gòu)建成宏觀的石墨烯纖維是開辟石墨烯材科應(yīng)用的重要研究方向，同時(shí)具有極大的挑戰(zhàn)，主要是由于沒有有效的組裝方法，且石墨烯和氧化石墨烯的尺寸和形貌不規(guī)則，容易層層堆疊而團(tuán)聚。浙江大學(xué)髙超教巧課題組首次報(bào)道了利用氧化石墨烯溶膠的手性液晶特性，采用濕法巧絲的方法制客出了氧化石墨烯纖維，再經(jīng)過化學(xué)還原可以獲得髙強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的石墨烯纖維，該纖維可以紡織出導(dǎo)電的織物；隨后該課題組通過改進(jìn)，利用超大氧化石墨烯薄片制備了超強(qiáng)石墨烯纖維，并開展了一系列關(guān)于石墨巧纖維的研究工作。目前各種不同功能的石墨烯聚合物纖維、摻雜纖維等先后被合成，展現(xiàn)了石墨烯纖維的美好應(yīng)用前景。

一維材料（石墨烯纖維）

利用微觀的氧化石墨烯薄片或者石墨烯薄片構(gòu)建成宏觀的石墨烯纖維是開辟石墨烯材科應(yīng)用的重要研究方向，同時(shí)具有極大的挑戰(zhàn)，主要是由于沒有有效的組裝方法，且石墨烯和氧化石墨烯的尺寸和形貌不規(guī)則，容易層層堆疊而團(tuán)聚。浙江大學(xué)髙超教巧課題組首次報(bào)道了利用氧化石墨烯溶膠的手性液晶特性，采用濕法巧絲的方法制客出了氧化石墨稀纖維，再經(jīng)過化學(xué)還原可以獲得髙強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的石墨烯纖維，該纖維可以紡織出導(dǎo)電的織物；隨后該課題組通過改進(jìn)，利用超大氧化石墨烯薄片制備了超強(qiáng)石墨烯纖維，并開展了一系列關(guān)于石墨巧纖維的研究工作。目前各種不同功能的石墨稀聚合物纖維、摻雜纖維等先后被合成，展現(xiàn)了石墨烯纖維的美好應(yīng)用前景。

二維材料（石墨烯薄膜、石墨烯紙等）

微觀的氧化石墨烯薄片組裝成宏觀的二維石墨烯薄膜或者紙是石墨烯材料領(lǐng)域當(dāng)中研究最早最廣泛的。2007年，若弗課題組以剝離的氧化石墨烯溶液為原料采用抽濾法制備了柔性的高機(jī)械強(qiáng)度的氧化石墨烯紙。2009年，中科院沈陽金屬所成會(huì)明教授等人報(bào)道了利用二維水平面作為自組裝平臺(tái)．通過蒸發(fā)氧化石墨烯水溶液，在水／汽界面上可以較快速地制備出自支撐的氧化石墨烯薄膜。2012年，安德烈．海姆教授課題組發(fā)現(xiàn)亞微米厚度的氧化石墨烯薄膜具有有趣的滲透性質(zhì)，即水分子可以快速地通過氧化石墨烯薄腹的納米孔，而其他的液化、蒸汽和氣體分子都被截留。201年，高超教授課題通過一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的濕紡設(shè)備可以在20分鐘內(nèi)制備20米長(zhǎng)的粘附在PET上的氧化石墨烯凝膠薄膜，經(jīng)過水洗后干燥，再與PET—起浸入水中使氧化石墨烯薄膜從PET上面分離下來，隨后把分離下來的氧化石墨烯薄膜經(jīng)過干燥處理便可獲得自支撐的薄膜，這種濕紡工藝有望加快氧化石墨烯薄膜的規(guī)?；a(chǎn)。

三維材料（石墨烯水凝膠及氣凝膠、泡沫材料等）

三維石墨烯材料內(nèi)部具有立體交聯(lián)的微孔、介孔和大孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自支撐孔隙結(jié)構(gòu)，大大増加了石墨烯的有效比表面積，同時(shí)具有較小的密度和快速的電子／離子傳輸路徑，在超級(jí)電容器、鋰離子電池電極、泡沫吸附材料等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，是近年來石墨烯領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。清華大學(xué)石高全教授課題組在水熱條件下使氧化石墨烯脫氧逐漸變得疏水，再通過分子間的范德華力作用和邊緣與邊緣堆積作用，獲得了具有高機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠，將此水凝膠組裝成超級(jí)電容器。高超教授課題組研制出了一種超輕＂全碳?xì)饽z＂的固態(tài)材料，其密度十分小，只有空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最巧的材料。其制備方法是將含有石墨烯和碳納米管兩種納米材料的水衡液在低溫環(huán)境下凍干，去除水分、保留骨架。其形狀可任意調(diào)節(jié)，彈性也很好，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀，對(duì)有機(jī)溶剤有超快、超髙的吸附力；同時(shí)，該氣凝膠還可能成為理想的儲(chǔ)能保溫材料、催化刑載體及高效復(fù)合材料，有廣闊應(yīng)用前景。