本刊資料室

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石墨烯：應(yīng)用前景極其廣泛的新興材料
——石墨烯能否引發(fā)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命

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1　2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得獎(jiǎng)項(xiàng)目

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體．20世紀(jì)初，X射線應(yīng)用于晶體的研究，物理學(xué)家分析石墨晶體的結(jié)構(gòu)，開始接觸石墨烯；1948年，G.Ruess和F.Vogt發(fā)表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的層數(shù)在3層至10層之間石墨烯圖像．最初，科學(xué)家試著使用化學(xué)剝離法來制造石墨烯，但沒有成功．所以，石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在．直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)俄裔物理學(xué)家安·海姆(A.Geim，1958年～)和康·諾沃肖洛夫(K.Novosolov,1974年～)，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，才證實(shí)它可以單獨(dú)存在．2004年10月兩人在Science發(fā)表了自己的成果，在全球引起強(qiáng)烈的反響，從此石墨烯成為研究熱門，安·海姆和康·諾沃肖洛夫則因“有關(guān)二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

2　石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)

石墨烯為蜂巢晶格的單層sp2雜化碳原子排列形成的平面，是各種石墨結(jié)構(gòu)的母體，如圖1所示．二維石墨烯多層疊加形成三維的石墨體，卷曲可以形成一維結(jié)構(gòu)的碳納米管，包裹形成零維的球形富勒烯(巴基球)．

圖1　石墨烯構(gòu)建各種碳材料的示意圖

3　石墨烯的性質(zhì)與廣泛應(yīng)用

石墨烯有許多奇特的性質(zhì)，利用這些奇特的性質(zhì)，石墨烯顯示了極其廣泛的應(yīng)用前景．例如以下幾個(gè)方面.

3.1機(jī)械性質(zhì)及新型機(jī)械材料

石墨烯既是最薄、最輕的材料，又是最強(qiáng)韌的材料．?dāng)嗔褟?qiáng)度130GPa，比最好的鋼材還要高200倍；楊氏模量1 100GPa，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%．單原子層石墨烯材料理論比表面積(單位質(zhì)量物料所具有的總面積)可達(dá)2 630m2/g．

如果用一塊面積1m2的石墨烯做成吊床，本身重量不足1mg便可以承受一只1kg的物體．單層石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度，即0.335nm，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一的厚度，1mm厚的石墨烯中就有150萬層左右單個(gè)石墨烯．

石墨烯最強(qiáng)、最輕、最薄、比表面積最大等機(jī)械性質(zhì)，使石墨烯有可能成為取代鋁材、鋼材制造飛機(jī)、汽車及各種各樣設(shè)備、器件的新型機(jī)械材料．

3.2電磁性質(zhì)及新型電子器件

用石墨烯制造的射頻器件可以實(shí)現(xiàn)超高速、超低噪聲、超低功率的射頻電路，對(duì)通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)及其他國(guó)防系統(tǒng)將產(chǎn)生重大影響．石墨烯在高性能儲(chǔ)能器件方面，也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景，可研發(fā)基于石墨烯的高能量密度鋰電池和超級(jí)電容等．另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光．另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透．這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板．

3.3化學(xué)性質(zhì)及新型防腐材料

最新發(fā)現(xiàn)石墨烯在防腐蝕方面非常有效．常用的聚合物涂層很容易被刮傷，降低了保護(hù)性能；用石墨烯來做保護(hù)膜，顯著延緩了金屬的腐蝕速度，更加堅(jiān)固抗損傷．因此，石墨可能在海洋防腐、金屬防腐、重化防腐等領(lǐng)域成為新型防腐材料．

3.4生物性質(zhì)及新型抗菌藥物

通過研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)的石墨烯對(duì)細(xì)菌有殺傷效果，實(shí)現(xiàn)抑菌作用．這是由于石墨烯是納米級(jí)的，而細(xì)菌是微米級(jí)，前者比后者小1 000倍，石墨烯就如同一把很鋒利的刀，可直接把細(xì)菌殺死；利用這種性質(zhì)，石墨烯有望成為一種新的抗菌藥物，成為抗生素的重要替代選項(xiàng)，解決抗生素濫用問題．

3.5石墨烯其他性質(zhì)

除以上性質(zhì)外，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯還有許多其他性質(zhì)，例如雙極性電場(chǎng)效應(yīng)中的量子特性、非線性光學(xué)中的可飽和吸收、在室溫下的量子霍爾效應(yīng) 、在溫度4K以下的反常量子霍爾效應(yīng)等,深入研究可以找到更為巨大的應(yīng)用價(jià)值．

4　各國(guó)對(duì)石墨烯的研究與開發(fā)

石墨烯在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注，紛紛投入人力、物力，開展研究與開發(fā)．

(1)美國(guó).2006～2011年，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(NSF)關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目有200項(xiàng)，包括石墨烯超級(jí)電容器、石墨烯連續(xù)和大規(guī)模納米制造等項(xiàng)目．2008年，美國(guó)國(guó)防預(yù)研局(DARPA)投資2 200萬美元研發(fā)超高速和低耗能的石墨烯晶體管，用于無線通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和成像等多個(gè)領(lǐng)域．

(2)歐盟.歐盟則制訂了長(zhǎng)期計(jì)劃，將歐洲各國(guó)的石墨烯研究統(tǒng)籌為一個(gè)整體，加速商業(yè)化進(jìn)程．2013年1月28日，歐盟委員會(huì)將石墨烯列入“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，10年提供10億歐元資助．2014年2月，歐盟未來新興技術(shù)(FET)石墨烯旗艦計(jì)劃發(fā)布了首份招標(biāo)公告和科技路線圖，其研究重點(diǎn)聚焦于半導(dǎo)體器件的集成、傳感器、光電子學(xué)、生物界面等方面．

(3)日本.日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)從2007年起開始對(duì)石墨烯硅材料、器件的技術(shù)進(jìn)行資助．

(4)韓國(guó).2012～2018年，韓國(guó)原知識(shí)經(jīng)濟(jì)部預(yù)計(jì)將向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元的資助用于技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用研究．

(5)中國(guó).對(duì)于石墨烯領(lǐng)域的研究與開發(fā)，我國(guó)也較早就給予了關(guān)注．2012年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》，就把石墨烯作為前沿新材料列在其中．2015年11月10日，工業(yè)與信息化部原材料工業(yè)司司長(zhǎng)周長(zhǎng)益在2015年中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上透露,石墨烯已作為重點(diǎn)包括在新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“十三五”規(guī)劃之中．為了推動(dòng)國(guó)內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在科技部、工信部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家自然科學(xué)基金委等的支持下，成立了中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟．聯(lián)盟成立以來，先后組建了技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、專利、資源、產(chǎn)業(yè)促進(jìn)、國(guó)際合作等專門委員會(huì)來整合協(xié)調(diào)、提高行業(yè)整體創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)力．其中，2014年1月中國(guó)石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)正式發(fā)布的中國(guó)石墨烯第1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《石墨烯材料的名詞術(shù)語與定義》，就對(duì)規(guī)范中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到積極作用．在國(guó)家及多方面的支持下、我國(guó)科技人員已在石墨烯領(lǐng)域的研究與開發(fā)領(lǐng)域取得諸多成果．

5　石墨烯能否引發(fā)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命

目前普遍認(rèn)為，石墨烯是一種強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)熱的新型納米材料，在電子技術(shù)、電腦技術(shù)、化工、生物醫(yī)藥、能源、航空航天……領(lǐng)域都展現(xiàn)出寬廣的應(yīng)用前景．有的科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命．

目前的問題是石墨烯尚未找到成本低廉、質(zhì)量穩(wěn)定、可大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的制備方法．要實(shí)現(xiàn)真正意義上的石墨烯商品化，還需要做大量的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研發(fā)工作．石墨烯能否引發(fā)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命？需要時(shí)間來考驗(yàn)．