石墨烯結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是理論模型，難以單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，從石墨中分離出石墨烯，才證實(shí)了它可以單獨(dú)存在。這兩位科學(xué)家也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　石墨是碳的同素異形體，石墨烯可由石墨剝離出來，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯?？梢哉f石墨烯是“單層石墨”，它是由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的網(wǎng)狀二維納米材料，常見的石墨可以看作是由石墨烯層層疊加而成的。

　　石墨烯是目前已知的最薄材料，它透明而不透氣；它是最堅(jiān)硬的材料，比同等重量的鋼鐵堅(jiān)硬200倍；它是導(dǎo)電性能最好的材料，其導(dǎo)電性優(yōu)于銅和銀，常溫下它的電阻率最??；它還可折疊彎折，擁有良好的靈活性，能承受攝氏2500度高溫。

　　石墨烯的性能頗具神奇色彩，有關(guān)的研究對(duì)其進(jìn)行了上百種用途的實(shí)驗(yàn)，包括電池、夜視鏡、光探測(cè)器、醫(yī)學(xué)掃描設(shè)備等，結(jié)果常常令人驚喜不已。石墨烯給人留下的印象是它可以改變世界，其廣泛的應(yīng)用前景可從以下幾個(gè)方面略見一斑。

　　新型顯示屏。未來的顯示屏可折疊彎曲，在下一代高科技電子設(shè)備上，這種柔性顯示屏是不可缺少的。現(xiàn)已制造出由多層石墨烯材料構(gòu)成的透明可彎曲顯示屏，甚至可制成更加高效、可打印替代的柔性顯示屏。同樣，柔性電池也是讓智能穿戴設(shè)備更為貼身舒適的標(biāo)配，它能讓廠商更為輕易地設(shè)計(jì)出各種規(guī)格的智能穿戴設(shè)備。顯然，石墨烯在智能穿戴設(shè)備的發(fā)展上具有很大潛力。

　　新能源電池。現(xiàn)已成功研發(fā)的石墨烯超級(jí)電池，儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，可供電動(dòng)車行駛1000公里，充電時(shí)間不到8分鐘，而成本比鋰電池低77％，重量也僅為傳統(tǒng)電池的一半；質(zhì)子傳導(dǎo)膜是燃料電池的核心，石墨烯可用在燃料電池里作超薄濾膜，由于它不透水卻能讓質(zhì)子通過的特性，可以大大提升氫燃料電池的功效；表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造可變形透明太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，由于石墨烯是一種透明的良性導(dǎo)體，具有直接植入服飾的潛力，這意味著可直接通過新材料服裝來充電。

　　靈敏傳感器。石墨烯可以制成用途廣泛的高光敏度傳感器。這種傳感器使用了“滯留光線”的納米結(jié)構(gòu)，能夠比傳統(tǒng)的傳感器更長(zhǎng)時(shí)間地捕獲光子，而且使光學(xué)和電學(xué)檢測(cè)相互兼容。這就會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，便于將其轉(zhuǎn)變成圖像。這種傳感器對(duì)光線的敏感度超過現(xiàn)有攝像機(jī)所使用的成像傳感器1000倍，可產(chǎn)生更加清晰和精美的圖片。石墨烯傳感器還可用于航天領(lǐng)域，對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。

　　新防護(hù)材料。石墨烯承受子彈沖擊的性能勝過鋼鐵，所制成的“紙片防彈衣”，在強(qiáng)度提升數(shù)十倍的前提下重量減至現(xiàn)有材料幾十分甚至幾百分之一，更便于攜帶。不過，短時(shí)間內(nèi)石墨烯替代這些材料并不現(xiàn)實(shí)，比較可行的辦法是將石墨烯以添加劑的形式廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。石墨烯復(fù)合材料還有望制成新型盔甲系統(tǒng)，作為宇宙飛船的保護(hù)涂層，它在航空航天軍工領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

　　半導(dǎo)體材料。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體以熱的形式消耗大量能量，目前電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了約80%的電能，石墨烯的電子能量幾乎不損耗?，F(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是7納米，已經(jīng)臨近邊界了。石墨烯具有非同尋常的優(yōu)良特性，它具備了顛覆硅時(shí)代的潛力，承載著未來變革產(chǎn)業(yè)的希望。

　　由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯具有提升和變革若干產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力，世界主要國家均高度重視發(fā)展石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)，眾多科研機(jī)構(gòu)和公司致力于石墨烯的應(yīng)用研究和開發(fā)，期待它帶來巨大的市場(chǎng)價(jià)值。截至2014年5月，全球在石墨烯領(lǐng)域申請(qǐng)的專利數(shù)量為11372項(xiàng)，其中亞洲占3060項(xiàng)。未來10年石墨烯將在復(fù)合材料、透明半導(dǎo)體材料、能源、光子、光電子和傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　總之，石墨烯已成為科學(xué)界的熱點(diǎn)、工業(yè)界的新寵。這不僅得益于其優(yōu)異、獨(dú)特的諸多性能，更是由于這些特性所衍生的應(yīng)用前景和觸發(fā)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)革命的可能性。

（來源：學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)，作者：陳慶修）