這場革命，從撕膠帶開始……_風聞

在往屆冬奧會中，曾出現過現場寒冷導致大量觀眾提前退場、媒體記者和志願者手腳凍僵難以正常工作的情況。

**本屆北京冬奧會運動場館的温度最低可達零下30多攝氏度，而高科技材料石墨烯有效幫助了工作人員和5G轉播設備等抵禦低温挑戰。**在通電的情況下，石墨烯產生的熱能以平面方式均勻地輻射出來，可以很好地被人體接受，產生由內而外的温暖。

石墨烯的發現者之一、2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆(Andre Geim)這樣描述石墨烯：“石墨烯對很多人來説就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇。”

石墨烯，神奇在哪？

文丨崔赫翾 瞭望智庫觀察員

本文由瞭望智庫綜編。

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撕出來的石墨烯

石墨烯是目前發現的最薄、最堅硬，導熱、導電性能最好的一種新型納米材料，它的熱傳導能力是金剛石的兩倍以上，機械強度比鋼鐵強200倍，導電性比銀和銅還強，被稱為“黑金”以及“新材料之王”。

**作為碳材料家族的新成員，石墨烯與石墨、金剛石一樣，都是碳的同素異形體。**石墨烯本來就存在於自然界，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數不清多少層的石墨烯。

2022年2月17日，北京石墨烯技術研究院展廳內展示的石墨烯原料。圖｜視覺中國

1987年，法國《礦物化學》雜誌的一篇論文中首先出現“graphene”（石墨烯的英文名稱）一詞，用於描述單層的石墨片層。不過，這個概念在提出後並沒有引起多少人關注石墨烯本身，而是多用於描述日本科學家飯島澄男發現的碳納米管。

在當時，石墨烯之所以沒能獲得足夠的關注，是因為早在70多年前，理論研究就表明，完美的二維結構晶體無法在非絕對零度的環境中穩定存在。

有理論認為，物質的熔點會隨着其尺寸的減小而減小，當物質的尺寸達到原子級別時會變得很不穩定，傾向於分離成島狀結構或分解。石墨烯作為一種原子厚度級的二維晶體材料，顯然違背了這個理論，許多科學家就止步了。

不過，幾十年來還有一些科學家在積極實驗，尋求突破：

1979年，科學家在真空條件下加熱摻有碳的單晶鎳時，在不同的温度下分別檢測到了薄層墨片和較厚的石墨片的生成；

1988年，科學家在利用蒙脱土片層間的二維罅隙製備高定向石墨的過程中，觀察到了石墨烯的存在，但是當時所製備的石墨烯只能依附於模板而存在。

直到2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）

和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一種非常簡單的實驗方法突破了科學家們的理論認知。

他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後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。就這樣不斷操作，薄片越來越薄，最後得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

其實，實驗室裏用膠帶粘石墨是常規操作。因為石墨是片狀結構，需要用儀器觀察石墨時，研究員往往會用膠帶去除石墨表層，從而露出一個乾淨的表面。蓋姆從這樣的日常操作中，通過想象力完成了一個不可能的任務。

2004年10月，他的研究小組在《科學》雜誌上發表了這一研究成果，震撼了科學界。6年後，兩位發現者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

在科學家眼中，石墨烯超乎尋常的性能讓幾乎所有已知材料都難以望其項背。

在力學性能力方面，石墨烯的抗拉伸強度值超過常規鋼鐵材料100倍；

在傳輸電子能力方面，常温下石墨烯的電子遷移率超過本徵半導體硅10倍；

【注：本徵半導體（intrinsic semiconductor）是指完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體，一般是指其導電能力主要由材料的本徵激發決定的純淨半導體。】

在熱傳導能方面，石墨烯的熱傳導率值超出熱的良導體金屬銅10倍；

在光學透過性方面，單層石墨烯對太陽光的吸收率僅為2.3%，幾乎是完全透明的。

單原子層的特殊結構賦予了石墨烯極大的比表面積，單層石墨烯的理論比表面積可達2600平方米/克。

蓋姆説：“它是有史以來強度最大的物質，是我們所知道的最堅固的材料，它還是拉伸強度最好的晶體。當然，它的超強性能還不止這些，但這已經讓人相當吃驚了。”

2

概念應用大放異彩

2020年4月23日，中國科學院山西煤炭化學研究所內，研究人員研製石墨烯新能源材料。圖｜視覺中國

近些年來，航空航天產業對複合材料的性能提出了更高的要求，而具有高強度、高導熱、抗電磁干擾等性能的石墨烯應用前景廣闊，可應用於大型微波暗室用吸波材料、飛行器與武器平台隱身、輕質複合材料、抗雷達干擾線纜、航空航天熱管理系統、飛機輪胎、雷達電磁屏蔽等領域。

在光伏產業中，石墨烯可以憑藉其提高玻璃透光率與玻璃自清潔能力，達到進一步提升組件功率、提升組件發電能力的目的。就自清潔能力而言，常見的組件技術往往只具備超親水或者光觸媒效果，而將這兩種技術完美融合在一起的只有石墨烯技術。

在軍工領域，添加了石墨烯的複合材料可以很大程度增強耐撞擊性，可以應用在空投箱、子彈箱、裝甲車輛上，替代鋼鐵部件；可以用於製造防彈頭盔、防彈背心；還可以應用到登陸艦艇，從而滿足輕量化、抗撞擊、防彈的特殊要求。憑藉電磁屏蔽性質，石墨烯也可以用來做隱形飛機、隱身材料……

在生物醫藥領域，石墨烯的應用主要集中在生物傳感器、藥物載體、光線療法及生物成像等方面。舉個例子，人體能發射遠紅外光，而石墨烯具有超高的載流子遷移率，遠紅外光投射到它上面後產生的電子可以被迅速地採集。這樣，戴上用石墨烯鏡片製成的眼鏡，就可以在夜裏看清一切東西。此外，還可以採集使用者本身的血糖、腦電等生理數據。

在電子信息領域，石墨烯潛在的應用主要集中在柔性顯示和觸摸屏、傳感器、RFID、散熱材料等領域。傳統透明導電膜大都採用ITO材料，ITO含帶毒性的稀有元素銦，而且價格昂貴，缺乏柔韌性。因此，不少廠商已在開發新型的透明導電膜。目前ITO的替代材料有金屬網格、碳納米管、納米銀線等，但它們均有不同程度的缺陷，這給石墨烯提供了足夠的替代空間。

蓋姆在獲得諾貝爾獎之後曾到訪三星公司，當看到三星公司編制的石墨烯產品路線圖的50個特殊性能應用的時候，他認為最接近合理市場價值的應用之一是其柔韌性極好的觸摸屏。

在環保領域，蓋姆研究發現氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，由此發現石墨烯有望用於製備過濾器材料，從而在海水淨化、污水處理等方面實現應用。

不僅如此，科學家對石墨烯最終取代硅成為計算機芯片的基礎材料，也持樂觀態度。

對於普通人的日常生活來説，蓋姆曾經用塑料來類比過石墨烯，他認為石墨烯可以開發出種類繁多的材料，就好像塑料一樣，未來可以應用到生活中的各個角落。科研人員也發現石墨烯可用做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤。

還有一些科學家有着更遠大的理想，他們將製造2.3萬英里長的太空電梯的夢想，也寄託在石墨烯上。

3

石墨烯產業“三大件”

**據統計，我國石墨礦儲量佔到世界總儲量的75％，具備發展石墨烯產業的資源基礎。**2004年至2013年，我國石墨烯處於實驗室研究階段，研究的產品包括晶體管、調製器、導電管等。

2021年6月19日，一條石墨烯生產線搬入哈爾濱新區。圖｜視覺中國

**2013年起，石墨烯商品開始出現。**由於製備技術還不成熟，只有一些對石墨烯質量要求不高的產品實現商品化，如鋰電池、石墨烯散熱薄膜等，但這些產品下游需求不大，主要替代一些傳統材料。在此期間，2012年工信部發布《新材料產業“十二五”發展規劃》，規劃中的前沿新材料就包括石墨烯。

此後，我國又進一步明晰了石墨烯未來十年發展目標——

電動汽車鋰電池用石墨烯基電極材料：較現有材料充電時間縮短50%以上，續航里程提高1倍以上；

海洋工程等用石墨烯基防腐蝕塗料：較傳統防腐蝕塗料壽命提高1倍以上。

柔性電子用石墨烯膜：性價比超過ITO，且具有優異柔性，可廣泛應用於柔性電子領域；

光電領域用石墨烯基高性能熱界面材料：石墨烯基散熱材料較現有產品性能提高2倍以上。

整體突破石墨烯的規模製備技術：石墨烯粉體的分散技術，石墨烯基電極材料的複合技術。

**2016年，科技部印發《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》，**提出要發展單層薄層石墨烯粉體，高品質大面積石墨烯薄膜工業製備技術，柔性電子器件大面積製備技術，石墨烯粉體高效分散、複合與應用技術，高催化活性納米碳基材料與應用技術。

從這一年起，我國石墨烯企業數量快速增長，僅當年全國新增註冊石墨烯相關企業數量就達704家，同比增長113%，其中多以研發為主，有實質性業務收入的企業數量僅為125家。

截至2020年6月底，我國在工商部門註冊的、營業範圍包括石墨烯相關業務的企業已經達到了16800家。全國成立石墨烯產業園29個，石墨烯研究院54家，石墨烯產業創新中心8個，石墨烯聯盟12個，分佈在21個省市。

“國外更多關注真正體現石墨烯新材料特性的未來型技術研發，而中國則非常重視近期的實用性產品的開發。” 中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠範説。

劉忠範還介紹，**目前，中國石墨烯產業有“三大件”，**約佔總體產業的90％：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，電容量也有提升；二是添加進防腐塗料，節省防腐塗料中較貴的鋅的含量，同時提升防腐性能；三是大健康領域，比如利用其導熱性能製作眼罩、護膝等理療產品。

4

防止炒作過熱

石墨烯一經發現就在世界各國備受追捧，在資本市場更是追逐的焦點，這也導致了五花八門的石墨烯概念和應用被炒作過熱。

比如，上週科學家剛剛發表一篇關於石墨烯離子篩性能的文章，本週資本市場就會聯想到海水淡化的市值，相關股票隨即暴漲。

很多企業號稱的石墨烯新品，只是往產品裏面加入了少量石墨烯，提高了相關性能，石墨烯扮演的多是添加劑的角色，新品也很難能被認為是真正的石墨烯產品。

2018年的《先進材料》上曾發表一篇文章，作者之一是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中，研究者們分析了來自美洲、亞洲和歐洲60家公司的粉體石墨烯樣品，發現大多數公司的樣品中石墨烯含量低於10％，而且沒有一家樣品中石墨烯的含量超過50％。

此外，石墨烯的極強導電性、強度、透光性和導熱性等特性，只是單原子厚度石墨烯的微觀性能，而當下偽石墨烯概念炒作，將石墨烯的微觀性能誇大為宏觀性能。

比如，石墨烯的厚度只有0.35納米，即使是1毫米厚的鋼板，也是石墨烯厚度的200多萬倍。即使石墨烯強度較高，也要幾千層石墨烯疊加在一起才能承受1毫米鋼板所能承受的力量。

嚴格意義上講，只有單層石墨片才是真正的石墨烯，但從應用的角度講，大家的共識是，10層以下可稱為石墨烯。石墨烯一旦疊加大約超過10層，就會喪失大多數獨有特性，重新變成石墨，更不要提幾千層。

中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟標準委員會主任戴石峯曾指出，一些企業把石墨烯神化，將其宣傳為萬能材料，個別企業甚至將石墨當石墨烯來售賣，這對產業的發展極為不利。

學術界對石墨烯的共識是，目前石墨烯材料的成本過高且技術方面不完善，若要大規模實現工業化應用尚存在一定的困難。

在現在常見的製備方法中，氧化石墨還原法是最常用的方法，但這種方法常常會帶來大量的廢酸、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公斤高錳酸鉀和1噸水。

而化學氣相沉積法（CVD），是將乙烯或乙炔等氣體導入到一個反應腔內，讓這些氣體在高温下分解，經過冷卻後，碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯。雖然CVD能滿足規模化製備大面積、高質量的石墨烯要求，但成本較高、工藝複雜。

而由於製備成本一直居高不下，石墨烯價格一度高達5000元/克，比黃金還貴十幾倍，這也阻礙了石墨烯下游市場的產業化步伐。

石墨烯未來會如何？

中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春認為，“業界雖然有爭議，但科技創新，什麼事情都可能發生，我們要有開放的心態。”

參考資料：

1.石墨烯：神奇材料看這裏！丨經濟日報，2020-10-21

2.新材料之王“石墨烯”究竟是什麼？丨楊傑，中國科學院物理研究所

3.專訪｜諾獎得主蓋姆談三維世界中的二維石墨烯：材料革命來了丨澎湃新聞，2022-2-19

4.神奇材料石墨烯——2010 年度諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆訪談錄丨世界科學，2010-12

5.石墨烯利好政策頻現，理性發展未來可期丨新材料產業，2017-10

6.石墨烯的這十年丨百科知識，2014-12

7.石墨烯發展年度報告：我國石墨烯產業仍處在概念導入期丨新華社，2017-07-06