從塑料到石墨烯，材料怎樣革新未來？_風聞

文/觀察未來科技

塑料，是20世紀最偉大的發明之一。1869年，印刷工人約翰·海厄特發現，在硝化纖維中加進樟腦，改性後的硝化纖維柔韌性和剛性都非常優異，通過熱壓後可製成各種形狀的製品，這種材料被命名為“Celluloid（賽璐珞）”，這也是最古老的塑料製品。三年後，這種古老的塑料製品開始投產，大部分用於象牙代用品、馬車和汽車的風擋和電影膠片等，從此開創了塑料工業。

不過，塑料的爆發應用，則來自於1907年的貝克蘭合成了可塑性材料，可塑性材料為此後各種塑料的發明和生產奠定了基礎，並逐漸走進了電話、收音機、槍支、咖啡壺、枱球、珠寶，甚至第一枚原子彈裏。

**而現在，一種可以與塑料媲美的新材料已經誕生，那就是石墨烯。正如塑料對這個世界的改變一樣，石墨烯也正在改變世界。**如果説塑料的發明是20世紀的最偉大的新材料，那麼，石墨烯或許就將成為21世紀的顛覆性材料——石墨烯所彰顯的鉅變的力量，一點也不比當初的塑料少。

從塑料到石墨烯

塑料和石墨烯一樣，都是由碳基分子形成的。碳原子的長鏈和其他元素按照重複結構單元連接在一起，這通常被稱為聚合物，也就是塑料的專業名稱。只不過，塑料瓶和購物袋並不是唯一的高分子聚合物形式。包括澱粉、蛋白質或 DNA 在內的天然聚合物都是促成身體機能運轉的要素。

**實際上，**聚合物很早就已被人類發現，但一直未能投人重要應用當中。直至在人類 20 世紀初首次從石油當中提煉出聚合物後，它才得到大規模應用。1907年，利奧·貝克蘭發明的第一種塑料製品就是聚合物，此後，一系列為人熟知的塑料品種才相繼出現，包括聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯（PVC）聚乙烯、尼龍和聚對苯二甲酸乙二醇酯等等。

當前，塑料幾乎在所有領域都****得到廣泛應用——人們用聚對苯二甲酸乙烯製成的瓶子喝水；穿着尼龍和聚酯纖維製成的服裝，開着配備各種塑料部件的汽車；人們乘坐的飛機上都是裝有塑料的艙頂行李箱；而人們日常使用的收音機、電視和電腦則全部採用流線型的塑料外殼。

而過去這種對於塑料應用的想像，今天也被人們如出一轍地複製在了石墨烯上。2010年10月5日，瑞典皇家學院宣佈了當年諾貝爾物理學獎獲獎者及其獲獎理由：安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）製備出了石墨烯材料，並發現其所具有的非凡屬性，向世界展示了量子物理的奇妙。

實際上，石墨烯的理論研究距今不過60多年的歷史，其曾被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在。現實中，人們常見的石墨就是由無數層石墨烯堆疊在一起構成的（厚1毫米的石墨大約包含300百萬層石墨烯），用鉛筆在紙上輕輕畫過，留下的痕跡就有可能是一層或數層石墨烯。由於石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離成薄薄的石墨片。如果能找到方法將石墨薄片進一步剝成只有一個碳原子厚度的單層，就能得到石墨烯。

正是基於這一原理，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在2004年用機械剝離法首次成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，即一種由乙苯環結構週期性緊密堆積的碳原子構成的二維碳材料。特殊的結構使得石墨烯成為構成其他石墨材料的基本單元，它既可以翹曲成零維的富勒烯（巴基球），也能捲成一維的碳納米管，還可以堆垛成三維的石墨。

不過，石墨烯最出名也最神奇的一點，就是：它是一種二維材料。石墨烯當然有厚度，但是隻有一個碳原子那麼厚，稍微薄一點或者厚一點都不是石墨烯。如果加一層碳原子到石墨烯上，就成了石墨；如果從石墨烯中取走一層碳原子就什麼也不剩了。石墨烯的發現不僅打破了自然界中不可能存在二維結構物質的傳統觀念，極大地充實了碳材家族，還為促進傳統產業轉型升級、引領戰略性新興產業快速崛起找到了關鍵材料。

**而石墨烯的神奇特性正是由這種獨特的結構賦予的——**用肉眼觀察，石墨烯呈黑色粉末狀，握在手裏輕若無物，但卻是目前人類已知的導電導熱性最佳、重量最輕、強度最大、韌性最好並具有極高透光率和高比表面積的材料。憑藉自身良好的光、電、熱、力等性能，石墨烯被人們寄予了諸多超乎想象的功能，併成為碳時代的“黑金”。

新材料的希望

眾所周知，材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，推動着整個人類文明的演化。從木石泥，到銅鐵鋼，再到硅晶片、碳纖維，歷史經驗表明，人類社會每一個新時代都會有一種新材料出現，而這種新材料往往成為那一時代生產力提升的“發動機”。不過，對於過去的材料來説，都無法逃脱隨着使用時間的延長而出現損耗的宿命。

比如，牛仔褲會因穿着時間長，面料變得稀疏，甚至出現小洞；廚房攪拌機最終會因為用於調整馬達速度和攪拌強度的齒輪因長期磨損而徹底斷裂而無法啓動；連汽車也會因為變速器的老化而報廢，隨着時間的推移，摩擦會造成損耗，傳動裝置自然就會失效。

而材料最終會走向損耗的根本原因，其實很簡單，就是因為摩擦力的存在。當兩個表面相互摩擦時，實際的接觸點只有納米大小——只不過是在幾個原子間產生摩擦。造成摩擦的原因則相對複雜，既要考慮表面的粗糙度，又要考慮材料形狀的微小變化和表面的污染情況。在出現摩擦時，運動表面間產生的能量將轉化為熱能，從而導致一些潛在的破壞性結果。

比如，汽車發動機內的活動部件以及駕駛過程中此類部件相互摩擦產生的熱量，就是我們使用機油和冷卻系統的主要原因。如果不進行潤滑和冷卻，發動機產生的熱量將迅速損毀發動機，還有可能致使汽車起火。

**然而，石墨烯卻完美解決了過去材料因為摩擦力而導致的缺陷。**基於這個特性，當前，石墨烯塗料現已應用於小型機械部件，不僅能夠顯著提高部件的使用壽命，而且幾乎能夠避免因摩擦產生的無效熱量。

不僅如此**，當石墨烯應用於微型機械時，人們還可以在石墨烯塗層中有選擇性地添加雜質****，以實現原子級的校準**。這樣一來，除了在指定的運動方向上幾乎可以徹底避免摩擦產生外，同時還可以讓其他方向上的運動仍能產生摩擦。這種被動的自我校準方案已通過實驗室測試。

除了摩擦力小之外，石墨烯還擁有另外一項革命性的應用價值**，就是超高的強度****。**如今，各種產品提升強度和抗斷裂性能的方法之一就是加大產品的體積：增加塑料或木板的厚度，使其不易破裂；通過加大密度來提升材料的強度；附加梁木或固件來分擔材料在使用過程中承受的壓力。這些解決辦法都會產生一個共同的副作用——在提升強度的同時，也增加物體的重量。隨着而來的問題是，人們是否會願意為了實現防摔的功能而增添物品的重量？

不僅如此，對於汽車來説，在某些硬件處使用密度更大的材料通常會使安全性得到提升，然而車身的重量一旦增加，燃油的經濟性便會下降。而****只要使用石墨烯代替傳統的設備強化方法，我們就可以在使物品更加堅固的同時使物品的重量更輕。無論是並未發生實質性損毀的汽車引擎和輪胎，還是無需因日常磨損而頻繁維護的機械設備，石墨烯幾乎都可以改善它們的耐用性能。

最後，也是石墨烯最為人們所期待的特性，就是**“輕便和柔韌”的特性**。石墨烯是由排列在平面上的單層原子構成的，不僅非常纖薄，而且強度極高，這也就意味着，石墨烯可經彎折、捲曲、摺疊處理，塑造出任何能夠想象的形狀。石墨烯材料不僅能被拉伸至原尺寸的 120% 而不發生斷裂，還能夠輕鬆恢復到初始狀態。除此之外，石墨烯還能將投射到材料上的92%的可見光傳輸出去。也就是説，石墨烯不僅輕便、柔韌、可導電，而且幾乎是隱形的。

這為未來的智能設備奠定了材料的基礎。比如，使用石墨烯作為材料的薄膜電腦可在隱形狀態下覆蓋車窗玻璃，從而為即將實現自動駕駛功能的汽車提供地圖和實時路況報告，幫助駕駛員在任何兩地間行車時選擇最佳路線。以石墨烯薄片為材質的計算機類應用，還包括可與隱形眼鏡相結合的微型嵌人式電腦。在未來，人們可以利用抬頭顯示技術，隨時將需要查詢的信息展現在自己眼前。

放眼未來，如果石墨烯的性能被徹底發揮出來，那麼大數據、物聯網、雲計算、智能設備等各項前沿領域將會取得重大突破，不僅將會實現“萬物互聯”，人們習以為常的生產生活方式也會被徹底顛覆。

“黑金”時代怎麼還沒來？

當前，石墨烯被形象地稱為“黑金”“萬能材料”“新材料之王”“未來材料”和“革命性材料”，甚至有科學家預言其極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術革命，進而徹底改變21世紀。

不過，石墨烯好則好矣，但卻離普通消費者仍有一定的距離。究其原因，除了製造、營銷及配售新產品或改造產品常見的障礙外，石墨烯產品所面臨的其他困難還包括：創建和維護原材料供應鏈、與擁有牢固客户基礎的技術展開競爭，以及應對不可避免的法律問題。

其中，最重要的還是兩方面的原因，一方面，石墨烯還面臨製造的障礙。目前，石墨烯****的製造難度仍然很大，當前，製備石墨烯有4種主流方法：機械剝離法、化學氣相沉澱法（CVD）、碳化硅（SiC）外延生長法和氧化還原法。

其中，機械剝離法是實驗室製備石墨烯的主要方法，也是當前製取單層高品質石墨烯的主要方法；化學氣相沉澱法被認為最有希望製備出高質量、大面積的石墨烯，是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法；碳化硅外延生長法雖然可以製得大面積的高質量單層石墨烯，但受單晶SiC的價格昂貴、石墨烯生長條件苛刻、生長出來的石墨烯難以轉移等因素影響，其目前主要用於以SiC為襯底的石墨烯器件的研究；氧化還原法也被認為是目前製備石墨烯的最佳方法之一。

**好在隨着世界各地的公司紛紛加人石墨烯生產大軍，且生產石墨烯的新方法仍在以驚人的速度不斷湧現。**目前來看，似乎我們確實有可能在幾年內實現石墨烯的大規模生產當然，部分企業仍將專注於小批量、定製化的石墨烯生產（如生產出長度在毫米至釐米間，甚至更短的石墨烯薄片），這種石墨烯可用作添加劑或與其他材料結合使用。而要想真正達到實用且能夠產生效益的階段，石墨烯的年產量至少需要超過數千****噸。

**另一方面，**在被廣泛應用之前，石墨烯必須兑現市場預期，提供比現有技術更高的效益或者更低的價格。此外，石墨烯還須在顧客指定時問內保質保量地實現大批量供貨。而面對每年成千上萬新型石墨烯應用專利的申請，當前，全球石墨烯產量僅可勉強滿足實驗室研究人員的需求，商用市場根本無從談起，因此高質量的石墨烯產品價格相當高。

不過，如果基於石墨烯生產的 “殺手級應用”被髮明出來，那麼石墨烯市場或將迎來一場批量化生產的競賽，以滿足這一需求。一旦產量增加，特別是出現很多供應商後，每單位的石墨烯產品的價格就會下降，只有這樣，一個強大的商業市場才能形成。

人類工業化的歷史經驗表明，新材料的發明製取在現代產業體系中扮演了舉足輕重的角色，屢次催生出新產業甚至是新產業羣。然而，新材料在產業化過程中，往往在技術、市場和組織等方面存在極大的不確定性。而如果按照硅材料產業的成熟週期為20年來推斷，石墨烯產業化成熟還要5~10年，因此，石墨烯想要真正引領“黑金”時代，還有一段路要走。