未來的材料:石墨烯

世界上有這么種物質，它透明，有韌性，極其堅硬，防水且存量豐富，電阻率是世界上已知物質中最小的。它就是石墨烯，一種擁有完美性能的材料。

世界上有這么種物質，它透明，有韌性，它極其堅硬，防水，它存量豐富，經濟實惠并且它的電阻率是世界上已知物質中最小的。它就是石墨烯，一種擁有完美性能的材料，科學家和企業家都為之著迷。

它早在2004年就被第一次合成出來，但它一直等到2010年才聲名鵲起，原因是它的兩位發現者俄羅斯籍學者安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫共同獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。安德烈·海姆在獲獎感言中說，石墨烯的應用前景是不可估量的。

由石墨烯作為兩極制成的電池樣品續航能力是普通電池的10倍，所需的充電時間也更少。

這種材料用途極廣，可以用來制造擁有透明彈性屏幕和超高速太陽能充電電池的電子設備。它在航空，醫藥和其他領域的應用目前正在研究開發中。除此之外，它擁有極佳的結構可以更具具體的需求被改造成新的所需材料。也就是說，它就像萬能材料。

對石墨烯性能的研究已經成為了世界許多科學家的課題。其中西班牙的理論物理學家做出了突出的貢獻。

開發階段

所有人都在談論這種材料，然而只有沒幾個人見過其真身。這是因為盡管石墨烯的應用前景無量，但它現在仍然處于開發階段。石墨烯是一種極薄的碳復合薄膜（僅有一個原子的厚度）。由石墨中分離而出，石墨通常被用來制作鉛筆，剎車片或者生產鋼。作為原材料石墨在在自然界中蘊藏豐富。獲得石墨可以通過開采天然石墨礦（西班牙這種礦的礦藏很豐富）或者人工合成石墨。

然而，目前主要的障礙是沒法大規模的生產石墨烯。熱蘇斯.德拉.福恩特解釋說。他是西班牙格拉費納納米材料公司的總裁。而該公司是目前僅有的幾家生產這個材料的公司之一。西班牙以石墨烯作為生意的公司還有 Avanzare 公司和GranphNanotech 公司。

生產石墨烯的方法有好幾個。撕膠帶法（機械剝離）就是當初海姆發明石墨烯的方法，這個方法可以用在一些實驗中，但在工業生產中不是一個有效的方法。它的商業化最起碼需要2個形態：薄膜狀和粉塵狀。

薄膜狀石墨烯

總部位于西班牙圣塞巴斯蒂安的格拉費納公司是生產薄膜狀石墨烯的三大國際公司之一（另外兩家是美國公司）。德拉.福恩特在電話采訪中說：“我們生產的是高純度石墨烯，擁有最佳性能。通常用來生產電池電極，觸摸屏，太陽能電池板，電子數碼產品和用于航空行業的高速模擬計算機或高級合成材料?！?/p>

該公司生產石墨烯使用的不是石墨，而是沼氣。使用一項名為化學氣相沉積的技術（CVD，是一種用來產生純度高、性能好的固態材料的化學技術）。福恩特說：“這項技術讓我們擁有了很大的優勢，我們不再依賴任何的礦產品了?！?/p>

福恩特解釋了石墨烯片制作的過程：“在化學氣相沉積反應器中輸入含碳的氣體，然后通過化學反應，分離氣體中的碳原子，使其附著在一塊金屬薄片上。接下來的一步是把石墨烯薄膜轉移到另一塊最終薄片上，薄片可以是聚合物片，玻璃片，硅片或者其他材質的薄片，這取決于它的用途?！?/p>

價格根據它的尺寸大小和性能會有所不同。最近幾年已經下降了一半?，F在一塊石墨烯片市值是300到1000歐元。這價格對于從事研究的消費者是可以觸及的，但對其他用戶來說太昂貴了。德拉.福恩特說他們在等待石墨烯價格的逐步降低，“5年后，它的價格就會比硅還便宜，目前一塊硅片價值50歐元?！薄半S著市場的升級，價格會降低。實際上生產1個薄片的價格和生產10萬個是一樣的。”他說。

這家公司從2011年夏天開始向他的客戶（研究機構和大公司）供應這種材料?！?盡管西班牙有大量的石墨烯研究項目，但我們99%的產品是賣給國外客戶的。那些新興企業正在研發創新產品，而與此同時那些大公司則在等待時機?！彼f。

超長電池續航

“我們所出售的石墨烯，尤其是用來測試的石墨烯。大多數都用來做能源儲存。應用在超級電容器（用于汽車，電車和配電器的線路效率優化）和電池中。有實驗已經證明使用石墨烯電極的電池擁有普通電池10倍的續航能力”。

事實上，這種材料可以解決智能手機的主要缺點之一，續航能力幾乎不超過一天。使用石墨烯電極制造的樣品電池，其續航能力是市場中出售的普通電池的10倍，它的充電時間也很短（只需半小時）。

然而，我們還要再等幾年之后才能使用這種電池。德拉.福恩特說，諾基亞公司（他的主要客戶）五年內不會把含有石墨烯的產品市場化。

石墨烯還會應用在OLED（有機發光二極管）電視機中，之后生產這些電視機就會用有機材料和可持續環保材料：“現在生產用的是稀土，對環境會有很大的影響。此外，稀土的價格翻了十倍?！毙袠I正在尋找一種更經濟更可持續的替代物，因此石墨烯就成為了替代品之一。

而關于太陽能板，德拉.福恩特說，他們的目標運用石墨烯使太陽能板的效率達到42%（也就是說，吸收到的太陽能有42%轉化為電能。目前市場上的太陽能板能量轉化率大約是16%）。

粉塵狀石墨烯

粉塵狀石墨烯被應用在需要更廉價材料的用途中，比如混合建筑材料（通常和其他材料混合）。“粉狀石墨烯的生產是用石墨作為原材料，然后通過劇烈氧化和超聲波降解法來分解石墨中的石墨烯小薄片，”熱蘇斯.德拉.福恩特解釋說。

它的性能沒有薄膜狀石墨烯的性能那樣好，導電能力也更差些。這種產品的需求量一直都很小。它的價格取決于它的純度。質量低的每克10歐元，質量高的價格達到每克100歐元。

“我們也為帆船比賽團隊工作，他們需要碳纖維的填充物（石墨烯能強化碳纖維）。”為了把石墨烯運用在建造材料中他們也做了很多實驗，但德拉.福恩特認為石墨烯在這個行業中的應用很困難，因為“這需要非常大的量和便宜的價格”。

科學家也正在研究它應用于醫藥業的可能性。比如，用于生產生物傳感器和檢測DNA?！八瑯佑锌赡鼙焕脕磉M行神經元植入和神經受損組織再生，”德拉.福恩特同時還表示，就算這些高科技醫學能被證實是可行的，等到投入使用還得再等上幾年。

與此同時，西班牙國家科學研究院的馬德里材料科學研究所的研究員艾爾莎.普拉達指出，石墨烯材料同樣可能運用在生物裝置，醫藥和食品殺菌包裝和輕便堅硬的復合材料（用于飛機，汽車等）上。

人造石墨烯

盡管具有非凡的特性，但石墨烯并不是完美的。然而，它是一個非常好的樣品，可以基于它改造出具有新特性的完美材料。也可以說是，石墨烯究極版材料。根據這個原理最新發明了被稱為“人造石墨烯”的材料。這項研究發表在了最近的《自然》雜志上，發表者是西班牙人巴克.基納，他是世界上研究石墨烯的著名專家之一。

這位馬德里材料科學研究所的研究員與美國斯坦福大學的同事們一起發明了這種人造材料，他透露，“它可以讓我們更精確的應用其更為奇妙的特性?！边@種被命名為人造石墨烯的材料具有和石墨烯類似的特性，它的出現開啟了該種材料大規模生產之路?！坝捎诂F有的石墨烯沒有達到必要的純度，所以人造石墨烯能夠被用來研究現有石墨烯身上觀察不到的特性?！彼谥卤緢蟮囊环忄]件中如是說。

這種新材料通過一氧化碳分子依附在銅表面上而制得，基納說:“同樣可以使用別的金屬?！比欢壳埃叭斯な┑脑靸r要比其他石墨烯高得多。”

基納相信“大幅降低成本”是石墨烯產品商業化的必要條件。該名研究員也期待“人造石墨烯的出現能幫助其他研究團隊優化生產技術”。

其他材料的啟蒙者

在所有石墨烯的衍生二維材料中，艾爾莎.普拉達突出介紹了其中幾種材料：氟代石墨烯（性能非常類似聚四氟乙烯，Teflon，擁有良好的潤滑性并且完全不導電），六方氮化硼（絕緣晶體并透明，高硬度，與石墨烯的結合優化了其機電性能），二硫化鉬（一種二維晶體，在應用與制作新型晶體管方面，前途無量）和硅化石墨烯（一種用硅做的石墨烯版本。它擁有石墨烯普遍的性能，它的優勢是它能更容易的與目前常用的含硅的電子原件通用）。

普拉達曾與石墨烯的發明者之一康斯坦丁·諾沃肖洛夫共事過。她說西班牙在這種材料的研究領域處于世界前列：“歐盟石墨烯旗艦研究項目中的西班牙方面的研究是最為活躍的研究活動之一，它推動了石墨烯的基礎研究，同時也推動了這些研究陳果的工業化進程”，如果研究獲得了巨大成功，“那就可以想象在西班牙將會用大量資金投入研究和石墨烯的技術開發之中”，普拉達說。

“在目前金融危機的形勢下，西班牙應該轉變成解決方案和高潛力高需求產品的生產者（不能僅僅是消費者）。尤其是，石墨烯能使我們成為世界的領頭人，我們能將這項未來技術出口給全世界。”她總結說。