石墨烯結構示意。 　　來自美國哈佛大學網站

超輕的石墨烯材料。 　　資料圖片

三星公司展示的石墨烯柔性觸摸屏。 　　來自英國廣播公司網站

　　2004年，兩位俄裔英籍科學家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質于一身，如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒

　　6月21日，在香港舉行的“石墨烯時代21世紀的奇跡材料”產業化全球高端論壇上，諾貝爾物理學獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫爵士以一場妙趣橫生的講演，將聽眾帶入一個玄妙神奇的科技世界，令人對未來美好生活充滿遐想。

　　簡單的實驗

　　鉛筆芯里誕生的諾獎

　　看過美劇《生活大爆炸》的觀眾，一定記得主人公“謝耳朵”鉆研石墨烯，以致沉迷其中、不能自拔的情節。雖然該劇播出時，石墨烯研究尚未獲諾貝爾獎，但已是學術界熱點。

　　人們常見的石墨，是由一層層以蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而成，層與層之間作用力較弱，可以相互剝離形成薄薄的石墨片。當石墨被剝離到單層、只有一個碳原子厚度時，所得到的石墨片就是石墨烯。

　　很長時間里，石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在。直至2004年，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，成功地在實驗中將石墨烯從石墨中分離，才證實了石墨烯可以單獨存在。而這個驚世的開創性實驗，卻被諾沃肖洛夫評價為是“中學生都可以完成的實驗”。

　　2004年，諾沃肖洛夫和他的導師海姆，以鉛筆芯的主要成分——石墨為實驗對象，成功通過機械微應力技術，將石墨分離成較小的碎片，最終得到了石墨烯這種新型超薄材料。當時，兩人領導的研究小組利用透明膠帶，將一張紙上的鉛筆筆跡進行反復粘貼與撕開，使得石墨片的厚度逐漸減小，最終他們通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了厚度只有0.334納米的石墨烯，而20萬片石墨烯加在一起，才相當于一根頭發絲的厚度。

　　6年后，海姆和諾沃肖洛夫獲得了諾貝爾物理學獎。當時，諾貝爾獎委員會發言人激動地說，通常諾獎只獎勵那些已經得到廣泛實際應用的研究成果，但這一次，委員會強烈認為應當明確認可石墨烯這種有巨大潛能的新型材料。

　　由此，目前世界上最薄、最硬的材料——石墨烯逐漸走入大眾的視野。

　　奇特的性能

　　比最好的鋼堅固100倍

　　石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。

　　對海姆和諾沃肖洛夫研究的石墨烯，當年的諾獎評審委員會將其稱為“完美原子晶體”。

　　石墨烯是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結構，看上去就像是一張六邊形網格構成的平面。這種獨特的二維結構使其具有諸多優異的性能。

　　首先，石墨烯的結構非常穩定，迄今未發現有碳原子缺失的情況。在這種對稱且完美的正六邊形結構中，碳原子之間的連接極其柔韌。當受到外力時，碳原子面可以彎曲變形，而不必重新排列來適應外力，因而保證了自身結構的穩定性。測試發現，石墨烯是目前已知的強度最高的物質，其強度比世界上最好的鋼還要高100倍。哥倫比亞大學物理學家做過的一個試驗表明，如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料袋的（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，那么它幾乎能承受一頭亞洲象的重量。

　　其次，石墨烯穩定的正六邊形結構使電子能夠極為高效地遷移。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體（例如硅和銅）用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%—81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，是目前室溫下導電性最好的材料。

　　此外，石墨烯還具有較高的載流子遷移率，較高的室溫熱導率、超大的比表面積和高透明度等特性。

　　廣闊的應用

　　太空電梯可能成為現實 

　　2012年10月，諾沃肖羅夫與其他科學家在《自然》雜志上發表了題為《石墨烯路線圖》的文章，描述了石墨烯在柔性電子（包括觸摸屏、電子紙、可折疊有機二極管發光器件等）、光子器件、復合材料、能量存儲、傳感、生物醫學等領域的多種應用。

　　被廣泛用于觸摸屏、電子紙和有機發光二極管上的透明導電膜，需要同時具備低表面電阻和高透光率。隨著傳統的氧化銦錫的成本不斷升高，利用石墨烯制備導電薄膜為發展上述柔性器件提供了誘人的前景。科學家預計，首個石墨烯觸摸屏將會在三到五年內上市，石墨烯電子紙樣品到2015年應該可以研發成功。

　　一般認為，晶體管尺寸越小，性能越好。但當普遍采用的硅材料尺寸小于10納米時，所制備的晶體管穩定性明顯變差。盡管目前對于石墨烯能否取代硅仍存在爭議，但石墨烯至少可以和硅互為補充，以混合電路的形式擴充芯片的功能。同時由于電子在石墨烯電路中的運行速度遠高于硅，因此石墨烯也是未來開發高頻電子器件的理想材料。

　　石墨烯具有大的比表面積，優異的電學和光學性能使其成為構筑高靈敏度傳感器的理想材料，可用于DNA測序、磁場檢測、流速監測和應變測量等。應變測量可能是其中最具競爭力的應用方向。因為石墨烯是目前唯一可以被拉伸達20%的晶體，用石墨烯制備應變測量儀，可顯著提高儀器的工作范圍。

　　超級電容器和鋰離子電池也是石墨烯重要的應用領域。超級電容器是一個高效存儲和傳遞能量的體系，石墨烯擁有大的比表面積、規范的多孔結構、高的電導率和熱穩定性，使其成為最有潛力的電極材料。用石墨烯制備鋰離子電池，可以在增加電極儲能的同時，減少鋰離子的擴散距離，有效提高鋰電池的充放電效率和循環穩定性。

　　中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。根據其輕薄、堅固的特性，人們不僅可以用其制造出堅韌的防彈衣、超輕型飛機材料，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現實。

　　待破的瓶頸

　　各種制備方法均不完美

　　盡管石墨烯在眾多領域擁有光明的應用前景，但實現這些應用的前提是發展大規模、低成本、大面積、結構與性能可調控的制備技術。

　　在金屬表面催化生長石墨烯，再把它轉移到適合的基底上，就好比在一個足球場上鋪一層薄薄的保鮮膜，想讓它平平整整且完好無損，難度很大。目前，世界上大約研究出五六種石墨烯制備方法，但都不完美。

　　微機械剝離法可以制備出高質量石墨烯，但存在產率低和成本高的不足，無法滿足工業化和規模化生產要求，目前只能作為實驗室小規模制備；化學氣相沉積法可以制備出高質量大面積的石墨烯，但成本較高，工藝復雜；氧化還原法工藝較為簡單，但大量制備容易帶來廢液污染；溶劑剝離法可以制備高質量的石墨烯，但是產率很低；溶劑熱法解決了規模化制備石墨烯的問題，但也帶來了電導率很低的負面影響等等。

　　作為碳納米材料家族的明星成員，碳納米管在出現伊始，也憑借其特殊的結構與優異的光電性質，引起了社會各界的廣泛重視。但十多年過去了，碳納米管在工業中的應用遠不及人們當初的期望。究其原因，是在大規模、低成本、可控制備方面仍存在較大的困難，這嚴重制約了碳納米管的實際應用。

　　石墨烯在光電性質及應用上與碳納米管十分相似，碳納米管的性質與應用研究為石墨烯研究提供了很好的基礎。同樣碳納米管在走向真正工業應用中所遇到的瓶頸，也很有可能會發生在石墨烯身上。

　　因此，在看到石墨烯光明的應用前景的同時，也應對制備工藝提起足夠的重視。

　　韓國

　　專利量居全球第三

　　趙蘊華 

　　近年來，韓國政府積極支持本國科研機構和公司開展石墨烯技術研發及商業化應用研究。2007至2009年間，韓國教育科學技術部等部門累計資助了90項相關研究項目，經費達到1870萬美元。2012至2018年間，韓國原知識經濟部預計將向石墨烯領域提供2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術研發，1.26億美元用于石墨烯商業化應用研究。

　　2013年，韓國產業通商資源部宣布，將整合韓國國內研究機構與企業力量推進石墨烯商業化發展。包括韓國科學技術院在內的41家研究機構與6家企業形成石墨烯聯盟。政府將在未來6年投入4230萬美元，幫助企業實現石墨烯的應用產品與相關技術商業化。韓國政府希望以此來打造每年約153億美元的市場，創造3.4萬個就業機會，形成25家全球領先企業，全面推動韓國經濟的發展。

　　在政府的高度重視與支持下，韓國在石墨烯技術走向市場方面取得了諸多突出的成果。2010年，韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。2011年，韓國科學技術院的研究人員利用石墨烯成功研制出大容量、可撓式的超級電容器，有望應用在電動汽車和智能電網等領域。同年，韓國研究人員，開發出基于石墨烯的柔性有機電致發光器件。

　　盡管歐洲是石墨烯的誕生地，但在石墨烯創新方面，韓國的實力特別不容小覷。根據2013年1月劍橋知識產權代理有限公司發布的報告，韓國的石墨烯專利量居全球第三，達到1160項，遠高于歐洲其他國家，僅次于美國和中國。韓國三星的石墨烯專利量多于世界上任何一家公司，擁有407件石墨烯專利和專利申請。 

　　英國

　　學院企業聯手研發

　　劉潤生

　　2010年，英國曼徹斯特大學海姆和諾沃肖洛夫教授因在石墨烯研究領域的杰出貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

　　2011 年英國在《促進增長的創新與研究戰略》中將石墨烯確定為今后重點發展的四項新興技術之一，并宣布將投入5000萬英鎊支持石墨烯研發和商業化應用研究，力圖確保英國在石墨烯領域的領先地位，并使這種材料在未來幾十年里從實驗室進入生產線并最終走向市場。

　　英國推進石墨烯的商業化進程將主要在英國國家石墨烯研究所進行。該所由英國政府和曼徹斯特大學投資建設。研究院將集中全英的研究力量，為學術界、企業界提供合作平臺，以支持石墨烯技術的早期開發和應用研究。同時，英國工程和自然科學研究委員會、英國技術戰略委員會將投入約1000萬英鎊，建立一個以新興技術探索和市場開發為核心的創新中心，致力于開發、應用、探索新的石墨烯技術，以真正實現石墨烯在商業上的應用。

　　2012年12月，英國政府又追加2150萬英鎊資助石墨烯的商業化探索研究，這筆投資將用于支持尖端研究項目以發現石墨烯的日常用途。項目參與機構包括帝國理工大學、劍橋大學、杜倫大學、埃克塞特大學、曼徹斯特大學和皇家霍洛威學院等。

　　這些大學的工業合作伙伴包括芬蘭諾基亞公司、英國BAE系統公司、美國寶潔公司、英國國防科技集團、英國戴森公司、英國羅羅公司、日本夏普公司和荷蘭飛利浦公司等。其中，劍橋大學將開展石墨烯在柔性電子和光電子方面的應用研究，如觸摸屏等。帝國理工大學將開展石墨烯在多功能涂層、纖維復合材料方面的應用研究。劍橋大學將和曼徹斯特大學合作探索石墨烯在能源存儲方面的應用研究，如超級電容器和電池等。美國寶潔公司、英國戴森公司將和杜倫大學合作探索石墨烯復合材料的潛在應用領域。

　　歐盟   

　　諾獎科學家領銜

　　劉潤生

　　歐洲是石墨烯的誕生地，十分注重在這一領域提前布局。歐盟委員會認為，從長期看，石墨烯材料可能同鋼鐵、塑料一樣重要，有可能代替硅成為信息技術的基礎材料，還可能在能源、交通和醫療領域發揮重要作用。

　　2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，10年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰略高度。

　　石墨烯旗艦項目的使命是讓石墨烯從實驗室走向社會，促進經濟增長并創造新就業。旗艦項目將組成產學研聯盟，涵蓋從材料生產到零件和系統集成的整個價值鏈。從2013年開始，旗艦項目將協調來自歐洲17個國家學術界和產業界的126個研究組，計劃在30個月內投入5400萬歐元。在項目啟動后將通過公開征集的方式進一步擴大產學研聯盟，計劃再吸引20至30個研究組，以加強該計劃在工程領域的研究實力。

　　根據歐盟委員會的決定，石墨烯旗艦項目將由瑞典查默斯理工學院科學家亞里·基納雷特牽頭，由來自世界各地的研發團隊共同負責實施。戰略咨詢委員會將為項目管理團隊提供支持。該委員會成員包括三位諾貝爾獎獲得者、空客公司和諾基亞公司的代表以及國際科學界的兩名代表。在三位諾貝爾獎獲得者中，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫因首先分離出石墨烯材料于2010年獲得諾貝爾物理學獎，德國科學家馮·克利青因發現整數量子霍爾效應于1985年獲得諾貝爾物理學獎。

　　該項目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心。在30個月的爬坡期階段，石墨烯旗艦項目將重點關注信息通訊技術和交通領域，并支持石墨烯在能源和傳感器領域的應用。

　　雖然目前歐洲一直沒有積極申請專利，但美國德州儀器公司的石墨烯專家路易吉·科倫坡認為，它仍是當今全球石墨烯的研發中心。

　　本版作者單位均為中國科學技術信息研究所

　　《 人民日報 》（ 2013年06月24日 23 版）