現(xiàn)在，說到最火的新裝備，大家會想到無人機，說到最火的新技術(shù)，大家會想到人工智能、3D打印，說到最火的新材料，那肯定就是石墨烯。到底石墨烯是“何方神圣”，根據(jù)已知的信息，石墨烯的厚度是頭發(fā)絲的20萬分之一，強度是鋼的200倍，是世界上已知的最輕最薄、最強的材料。
目前已有公司宣稱用石墨烯來做快速充電電池，只需20秒就可以給手機充滿電。除了電池，還有公司用石墨烯做內(nèi)衣、襪子等。那么，石墨烯到底是何方神圣？
佛經(jīng)云：“一花一世界”——對于科學來說，此言甚是不虛。一朵花，一滴水，甚至一粒塵埃中所蘊藏的奧秘，并不比我們目之所及的這個世界簡單多少。如果細究下去，一朵花里，科學家可以看到其中蘊藏的有機材料與生命的基礎(chǔ)——“碳”和碳構(gòu)成的整個世界。
“碳”和碳家兄弟
各種碳材料的原子結(jié)構(gòu)
碳，在空氣中，是二氧化碳；在水中，是碳酸；在石灰?guī)r里，是碳酸鹽；在一朵花中，它是氨基酸、是DNA， 是糖、淀粉、纖維素……它是宇宙中豐度最高的元素之一，是地球上有機物與生命體的化學根本。碳是神奇的，與不同化學元素結(jié)合，便擁有了無數(shù)化身，造就了這整個的世界。
可是，碳又是平易近人的，古人書畫中的松煙、油墨；冬日取暖的煤炭、木炭；清除異味、凈化空氣的活性炭；甚至美人項上的鉆石，兒童手中的鉛筆芯，都是碳！如果說，一朵花中存在的各種碳，是碳的化合物與聚合物，是碳的姻親，那么，這些我們常見到的碳則是單質(zhì)碳，也稱碳的“同素異形體”，就好比是碳的嫡親子女了。碳家的這些親兄弟們，由于碳原子的排列或搭房子（構(gòu)型）的方式不同，相貌性情可是大相徑庭。
煤炭、木炭之類，碳原子的排列是無序的，所以稱“無定形碳” 。相比之下，如金剛石（鉆石）、石墨，則都是碳的結(jié)晶體，碳原子的排列規(guī)則有序，看著就令人喜愛，屬于操場上著裝列隊都整齊劃一的那一班孩子，深得老師喜愛。
可是這些乖娃娃又極具個性。比如，石墨是碳原子之間鍵合成六邊形，形成平面結(jié)構(gòu)，層層疊加而成。由于層間存在分子間的弱作用力（范德華力），所以各層間能輕易平行滑動，這也是為什么石墨可以做鉛筆芯，書寫時有順滑流利之感。金剛石或鉆石，則是碳原子以四面體狀鍵合，形成的三維密鋪網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，密度比石墨要高出很多。因此，石墨是最柔軟的物質(zhì)之一，而鉆石卻是最堅硬的天然物質(zhì)，工業(yè)上可以用于切割、沖鉆、研磨等。
納米世界里的“碳”
如果再深入到納米世界，在我們迄今能用電子顯微鏡看到的尺度的盡頭，等待著我們的碳家兄弟們，更是迷你可愛，各具風采。在這里，我們好奇的目光所及，是如同小足球樣的富勒烯（足球烯）、如絲線般的碳納米管和如薄翼般的石墨烯。尤其石墨烯發(fā)現(xiàn)之后，所謂“大道至簡”，這些碳兄弟們，可以說都可以基于石墨烯構(gòu)筑而成。石墨烯卷曲成管，就是碳納米管；石墨烯適當剪裁，團成球，就是富勒烯；若石墨烯層層疊加，就是石墨。
石墨烯與其它碳材料的關(guān)系
那么，可能有人要發(fā)問了，
石墨烯究竟是啥玩意？
石墨烯就是單層碳薄片，是單層碳原子構(gòu)成的二維晶體。而這一薄層的厚度，就是一個碳原子的厚度。一個碳原子，直徑只有0.335納米。要知道，一納米是一米的十億分之一，相當于人類頭發(fā)直徑的萬分之一。一毫米的石墨里，就含有300多萬層石墨烯！與石墨烯這樣的厚度相比，“薄如蟬翼”算得了什么呢！
到了這樣的尺度，石墨烯便不再象它在宏觀世界里的兄弟石墨那般柔軟并閃著深灰色的金屬光澤了。它對可見光的吸收率只有2.3%，已經(jīng)完全透明。它輕如無物，如果能把石墨烯做成一平方米的網(wǎng)，這網(wǎng)的質(zhì)量不足1毫克。但它又強韌無比，就這1毫克，足以承重1公斤的貓。它極其致密，連最小的氣體分子氦氣都不能透過。與最好的鋼材比，它的強度高出200多倍。它還能舒展自如，可以具有相對自身尺寸的20%的延展率。它的導電性超出我們所了解的電阻率最低的銀，導熱性能也約高于室溫下銅的10倍。
這樣一種奇異的材料，如同在我們身邊沉睡了千萬年的睡美人，直到2004年，方顯露真容，為人們所認識。而她的發(fā)現(xiàn)，實在令人莞爾。竟是用“撕膠帶法”：將石墨片在普普通通的3M膠帶上反復層層黏附剝離，最終獲得石墨烯，并在電子顯微鏡下窺得芳容。用類似的方法，你甚至還可以從鉛筆的筆芯中得到石墨烯的碎片，紙上一道淺淺的鉛筆印跡里，其實就是層層石墨烯的疊加。所謂“如窺漢女妝”，也正如看到一位真正神秘莫測的美人那樣，石墨烯的發(fā)現(xiàn)著實震撼了學術(shù)界。在此之前，大多數(shù)物理學家認為，任何完美的二維晶體都無法在非絕對零度（絕對零度指-273.15度）中穩(wěn)定存在。但是，作為二維晶體形態(tài)的單層石墨烯就這樣在常溫的實驗中被制備出來了！
正是由于在2004年成功分離并證明石墨烯的穩(wěn)定存在，進而發(fā)現(xiàn)它的量子霍爾效應(yīng)（見下文），曼徹斯特大學的兩位科學家，安德烈·蓋姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov），于2010年榮獲了諾貝爾物理學獎！
量子霍爾效應(yīng)指約束電子的亂跑亂竄，使其乖乖排排隊，限制在一側(cè)流動，從而避免電流在傳輸中存在的能量損耗現(xiàn)象。這意味著如果石墨烯用于大型計算機，可以使大型計算機變得象iPad大小，使 ipad容量達到幾T甚至幾十T。于是，仿佛一扇新的大門被打開，使人們看見了一個可能企及的令人目眩神迷的未來世界，隨之而來的這些年里，對石墨烯的基礎(chǔ)探究和應(yīng)用研究，呈指數(shù)增長。作為一類最新型的納米碳材料，她的神奇，深深吸引了眾人的目光，也同時更激發(fā)出人們無限的想象和創(chuàng)造力。甚至連2015年主席去英國進行國事訪問，還專門有一程曼徹斯特大學石墨烯研究所的參觀訪問，華為也隨后與該研究所簽署了石墨烯項目合作協(xié)議。
石墨烯的應(yīng)用能夠帶給我們怎樣的驚喜？
人們對石墨烯如此充滿期待，除了它可望用于制造超微型晶體管，應(yīng)用于超級計算機，能比現(xiàn)行的基于硅材料制成的芯片運行速度快數(shù)百倍、且具有超大容量之外，基于石墨烯的各種特性，從應(yīng)用上，它還可望用于電子產(chǎn)品，做成柔韌可彎折的透明的觸摸顯示屏，或穿戴設(shè)備。
石墨烯作為功能性的添加劑，可以用于超級電容器、鋰電池，應(yīng)用于航空航天及電動汽車，滿足快充、長程續(xù)航的要求。可以用于復合材料、防腐涂料，獲得更好的強度、韌性和防腐性能。也可能用于儲能、發(fā)光板、太陽能電池板等等。
在環(huán)保、節(jié)能、通訊、醫(yī)學等領(lǐng)域，也讓人充滿了想象和期待。如果能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯大規(guī)模的制造和應(yīng)用，那么，石墨烯確實會在許多方面改變我們的生活。
前途很光明，但現(xiàn)實差強人意
前途光明，道路曲折
但是，從來“前途是光明的，道路是曲折的”。石墨烯恰恰是在大規(guī)模的制造和應(yīng)用方面面臨著實際的困難。
一方面是石墨烯的制造問題。從工業(yè)化角度，要取得能實際應(yīng)用的石墨烯，通過“撕膠帶法”，顯然是癡人說夢。目前為止，人們確實已經(jīng)開發(fā)出不同的生產(chǎn)石墨烯的方法。如化學氣相沉積法（CDV）， 化學氧化還原法（GO/rGO），液相剝離法（LPE）、微機械剝離法等。但是這些方法，在規(guī)?；潭?、生產(chǎn)成本、工藝要求、石墨烯產(chǎn)品的得率、純度、結(jié)構(gòu)的完整性等各方面，都不是完美的。石墨烯在理論上展現(xiàn)的奇異特性，都是基于它在納米尺度上完美的二維晶體形態(tài)，任何邊緣或內(nèi)部結(jié)構(gòu)點的缺陷、層厚的疊增都將使它的應(yīng)用性能大打折扣，甚至毫無應(yīng)用價值。
石墨烯的制備方法及比較
另一方面，是石墨烯在應(yīng)用上的問題。主要是指它添加到各種配方中，如何在基體材料中做到穩(wěn)定、均勻分散。對于納米材料，即使是層數(shù)在3-10層之間的少層石墨烯，超大的比表面積（單位質(zhì)量物體的表面積），本質(zhì)上對應(yīng)的是超高的能量體系，納米粒子間的相互作用力，使3~5%的濃度的石墨烯漿料已經(jīng)凝固如果凍一樣。石墨烯粉體也好，漿料也好，加入基體樹脂中，如何均勻分散，避免石墨烯因為團聚而回疊至石墨狀態(tài)，以及如何在生產(chǎn)中具有批次間的穩(wěn)定性，都是瓶頸問題。
目前我們所了解到的，國內(nèi)已有號稱100噸級、500噸級、甚至1000噸級的石墨烯粉體或漿料的生產(chǎn)線，但估計大部分仍屬于相對低級、廉價的氧化石墨烯納米顆粒或少層石墨烯。主要作為添加劑應(yīng)用于重防腐涂料，或作為導電劑應(yīng)用于鋰電池、動力電池等。近兩年，也有高純度石墨烯（薄膜）的量產(chǎn)信息發(fā)布，但是，依賴于這類石墨烯的更多產(chǎn)品的開發(fā)，依然需要人們平心靜氣地耐心等待。
聯(lián)系客服
