石墨烯熱：“熱”在今天，更要關注未來
石墨烯發熱羽絨馬甲和石墨烯發熱圍巾。新華社發
6月6日是國際石墨烯日。在這一天，關於石墨烯的研究與應用再次成爲科學界討論的熱點。作爲目前世界上已知最薄、最強、導電導熱性能最高的一種新型納米材料，石墨烯的發展前景被衆多科學家所看好，石墨烯也因此被稱爲“黑金”。正如諾貝爾物理學獎得主弗蘭克・維爾澤克所說，石墨烯可能是唯一一個從量子理論到應用的實例。
石墨烯是如何被發現的？應用前景如何？從研究到應用，我們還要越過哪些障礙？
我們經常談及的“石墨烯”，究竟是什麼？
“石墨跟石墨烯只有一字之差，實際上，嚴格意義上的石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來，壘到足夠厚就可以得到石墨。而把石墨一層一層地剝下來，剝出的單層就是石墨烯。”根據北京大學化學與分子工程學院教授彭海琳的描述，石墨烯就是一種純碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二維材料，其形狀表現爲碳原子構成的蜂窩狀、六角形結構的二維平面。
石墨烯曾一度被認爲是一種假設性結構，無法單獨穩定存在。北京理工大學化學與化工學院特別研究員趙揚介紹，改變發生在2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈・蓋姆和康斯坦丁・諾沃肖洛夫等人首次成功利用微機械剝離法從石墨中分離得到石墨烯，顛覆了物理學界“二維原子晶體不可能在有限溫度下穩定存在”的傳統思維定式，兩人也因“二維石墨烯材料的開創性實驗”而獲得2010年諾貝爾物理學獎。
“雖然這次發現意義非凡，但其採用的製備方法卻很簡單――利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨，把有黏性的一面對摺，再把膠帶撕開，石墨薄片就會被一分爲二。”彭海琳告訴記者，不斷重複這個解離過程，石墨片就會越來越薄，最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯。當然，現在製備石墨烯的方法更多了――經過數年發展，科研人員發現了更多製備石墨烯的方法，這種新材料由此進入工業化生產領域。
石墨烯，能用來幹什麼？
“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最堅硬、導電性最好的納米材料，幾乎完全透明，具有很大的應用前景，可以應用到儲能、醫療、電子等各個領域。”趙揚舉例說，石墨烯由於其高導電性、良好的電容性能和散熱性能等，被廣泛應用於電容器、電池的電極材料中。其高導電性還尤其適合於高頻電路，因此石墨烯有望成爲硅的替代品，進而提升未來計算機的運行速度，減少能耗。
南開大學物理科學學院教授蔡衛補充說，石墨烯能替代活性炭等，提高儲能器件的容量與效率。“石墨烯複合材料有望取代傳統的碳纖維，用於製造更加輕型的飛機和航天器等。具體到光學領域，石墨烯目前的應用方向包括柔性透明電極、光伏器件、光源、光探測器、超快激光器、光頻轉換器及太赫茲器件等。”
“更值得一提的是，石墨烯可以用來做柔性觸摸屏、觸控屏。目前，市場上一般是用ITO（氧化銦錫）玻璃做觸摸屏，ITO玻璃比較脆，不能來回彎折。而石墨烯的柔性特質則決定其可以來回掰。”彭海琳說。
蔡衛表示，石墨烯的廣泛應用將很大程度上改變我們目前的生活，提供一個信息溝通更通暢、生活更加便利及更加環保的生活環境。
“目前，我們對石墨烯的研究主要集中在三個方面：一是石墨烯及其複合材料的製備與其性能研究；二是基於石墨烯的基礎物理研究，如量子物理、極化激元物理等；三是石墨烯光電子器件及其應用等。”蔡衛介紹，目前，石墨烯研究逐漸走出實驗室，如2020年5月，華爲發佈的國內首款5G平板華爲MatePadPro5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術，總厚度達到400微米。
但從研究到應用，石墨烯還要越過諸多障礙。
趙揚說，“現階段，若想將石墨烯直接應用到實際還存在一些困難，主要原因在於石墨烯的生產工藝還不太成熟，導致石墨烯價格較高、質量差、產量少。雖然很多公司的產業化正在緊鑼密鼓進行，部分石墨烯產品也已推向市場，但石墨烯還無法滿足高質量生產和大批量應用的需求。”
彭海琳從國內實際情況出發，給記者列舉了一系列數字――據統計，從2011年起，我國關於石墨烯的文章數量已經位居世界第一，接近六萬篇，遠遠超過第二名美國的兩萬多篇；我國申請的石墨烯專利佔了全球的54%以上，也是遙遙領先。目前，我國涉及石墨烯業務的公司已超5000家，並且呈現迅速增加之勢。
但數字背後也隱藏着危機。“我國石墨烯研究與國外不完全在一個頻道上。”彭海琳坦陳，“我們更關注馬上能賺到錢的商品。我們有七百多家石墨烯塗料企業，還有衆多的石墨烯電熱器和大健康企業，以及越來越多的石墨烯內衣、石墨烯襪子、石墨烯護腰、石墨烯口罩等。反觀國外，他們更多關注的是未來，是石墨烯核心技術和高大上的產品開發，如柔性石墨烯電子器件、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫茲探測器等各類傳感器、石墨烯分離膜及海水淡化技術等。顯而易見，這些東西不可能立即變現，不能期待幾年之內就有多麼大的產業，但它們可能代表石墨烯材料與器件的未來方向。”
這樣的觀點值得注意。北京石墨烯研究院院長、中國科學院院士劉忠範就曾多次指出，我國的石墨烯研究仍處在產業化前夜，至多是起步階段，我們不能過於急功近利，既要關注今天的產品，更要關注未來的核心技術。只有擁有這些核心技術，才能擁有石墨烯產業的未來。
4、應用石墨烯：更廣泛的應用將把人類帶入“碳時代”
發展石墨烯，前路在哪？
“未來，石墨烯應該朝着產業化方向發展，其用途可體現在可穿戴的智能化手機手錶、電動汽車等設備的電池電極材料、軍用防彈衣、航空裝置的機械保護材料，以及一些柔性電子顯示屏和電子元件等方面。”趙揚認爲。
蔡衛表示，從更長遠的發展來看，石墨烯要推動基礎物理的發展，目前石墨烯已推動整個二維材料領域的發展，爲探索範德瓦爾斯二維異質材料的基礎物理與應用提供了可能，如轉角雙層石墨烯可實現超導、石墨烯中的元激發能實現極端強的光―物質相互作用等。“當然，石墨烯要在新場景下實現應用。如基於石墨烯的超靈敏光探測器可應用在航空航天、無人駕駛、生物檢測等領域，又如石墨烯與其他二維材料或者現有硅基納米系統集成，出現在6G通訊器件中等。”
“劉忠範院士曾給石墨烯材料勾畫了三種前途。第一種前途類似於碳纖維材料，在某些領域找到不可或缺的用途，成爲“撒手鐗”級的應用。第二種前途類似於塑料，一百年前人們發明塑料，極大便利了人類生活，已經滲透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有這種潛質，在未來也可能像塑料一樣進入我們的日常生活。第三種前途類似於硅材料。沒有硅材料，就沒有集成電路，自然也就無法進入信息化時代。甚至可以講，我們現在生活在‘硅時代’。完美的石墨烯材料擁有遠優於硅材料的光學和電學等特性，可用來製造未來的信息器件。”彭海琳表示，首先需要解決的是石墨烯材料的製備問題，在未來，高質量石墨烯材料可以考慮先和傳統硅技術結合或融合發展，最終找到“殺手鐗”級用途，有可能替代硅基材料，製造“碳基電子器件及集成電路”，從而把人類帶入“碳時代”。