未來的材料:石墨烯

世界上有這么種物質(zhì)，它透明，有韌性，極其堅(jiān)硬，防水且存量豐富，電阻率是世界上已知物質(zhì)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(zhì)，它透明，有韌性，它極其堅(jiān)硬，防水，它存量豐富，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并且它的電阻率是世界上已知物質(zhì)中最小的。它就是石墨烯，一種擁有完美性能的材料，科學(xué)家和企業(yè)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(fā)現(xiàn)者俄羅斯籍學(xué)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(xué)獎。安德烈·海姆在獲獎感言中說，石墨烯的應(yīng)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(xù)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(shè)備。它在航空，醫(yī)藥和其他領(lǐng)域的應(yīng)用目前正在研究開發(fā)中。除此之外，它擁有極佳的結(jié)構(gòu)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(jīng)成為了世界許多科學(xué)家的課題。其中西班牙的理論物理學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。

開發(fā)階段

所有人都在談?wù)撨@種材料，然而只有沒幾個人見過其真身。這是因?yàn)楸M管石墨烯的應(yīng)用前景無量，但它現(xiàn)在仍然處于開發(fā)階段。石墨烯是一種極薄的碳復(fù)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(chǎn)鋼。作為原材料石墨在在自然界中蘊(yùn)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(guī)模的生產(chǎn)石墨烯。熱蘇斯.德拉.福恩特解釋說。他是西班牙格拉費(fèi)納納米材料公司的總裁。而該公司是目前僅有的幾家生產(chǎn)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(chǎn)石墨烯的方法有好幾個。撕膠帶法（機(jī)械剝離）就是當(dāng)初海姆發(fā)明石墨烯的方法，這個方法可以用在一些實(shí)驗(yàn)中，但在工業(yè)生產(chǎn)中不是一個有效的方法。它的商業(yè)化最起碼需要2個形態(tài)：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(fèi)納公司是生產(chǎn)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(chǎn)的是高純度石墨烯，擁有最佳性能。通常用來生產(chǎn)電池電極，觸摸屏，太陽能電池板，電子數(shù)碼產(chǎn)品和用于航空行業(yè)的高速模擬計(jì)算機(jī)或高級合成材料。”

該公司生產(chǎn)石墨烯使用的不是石墨，而是沼氣。使用一項(xiàng)名為化學(xué)氣相沉積的技術(shù)（CVD，是一種用來產(chǎn)生純度高、性能好的固態(tài)材料的化學(xué)技術(shù)）。福恩特說：“這項(xiàng)技術(shù)讓我們擁有了很大的優(yōu)勢，我們不再依賴任何的礦產(chǎn)品了。”

福恩特解釋了石墨烯片制作的過程：“在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中輸入含碳的氣體，然后通過化學(xué)反應(yīng)，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(zhuǎn)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(zhì)的薄片，這取決于它的用途。”

價格根據(jù)它的尺寸大小和性能會有所不同。最近幾年已經(jīng)下降了一半。現(xiàn)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(fèi)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。”“隨著市場的升級，價格會降低。實(shí)際上生產(chǎn)1個薄片的價格和生產(chǎn)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(jī)構(gòu)和大公司）供應(yīng)這種材料。“ 盡管西班牙有大量的石墨烯研究項(xiàng)目，但我們99%的產(chǎn)品是賣給國外客戶的。那些新興企業(yè)正在研發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，而與此同時那些大公司則在等待時機(jī)。”他說。

超長電池續(xù)航

“我們所出售的石墨烯，尤其是用來測試的石墨烯。大多數(shù)都用來做能源儲存。應(yīng)用在超級電容器（用于汽車，電車和配電器的線路效率優(yōu)化）和電池中。有實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明使用石墨烯電極的電池?fù)碛衅胀姵?0倍的續(xù)航能力”。

事實(shí)上，這種材料可以解決智能手機(jī)的主要缺點(diǎn)之一，續(xù)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(xù)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(nèi)不會把含有石墨烯的產(chǎn)品市場化。

石墨烯還會應(yīng)用在OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）電視機(jī)中，之后生產(chǎn)這些電視機(jī)就會用有機(jī)材料和可持續(xù)環(huán)保材料：“現(xiàn)在生產(chǎn)用的是稀土，對環(huán)境會有很大的影響。此外，稀土的價格翻了十倍。”行業(yè)正在尋找一種更經(jīng)濟(jì)更可持續(xù)的替代物，因此石墨烯就成為了替代品之一。

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

粉塵狀石墨烯

粉塵狀石墨烯被應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)電能力也更差些。這種產(chǎn)品的需求量一直都很小。它的價格取決于它的純度。質(zhì)量低的每克10歐元，質(zhì)量高的價格達(dá)到每克100歐元。

“我們也為帆船比賽團(tuán)隊(duì)工作，他們需要碳纖維的填充物（石墨烯能強(qiáng)化碳纖維）。”為了把石墨烯運(yùn)用在建造材料中他們也做了很多實(shí)驗(yàn)，但德拉.福恩特認(rèn)為石墨烯在這個行業(yè)中的應(yīng)用很困難，因?yàn)椤斑@需要非常大的量和便宜的價格”。

科學(xué)家也正在研究它應(yīng)用于醫(yī)藥業(yè)的可能性。比如，用于生產(chǎn)生物傳感器和檢測DNA。“它同樣有可能被利用來進(jìn)行神經(jīng)元植入和神經(jīng)受損組織再生，”德拉.福恩特同時還表示，就算這些高科技醫(yī)學(xué)能被證實(shí)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(xué)研究院的馬德里材料科學(xué)研究所的研究員艾爾莎.普拉達(dá)指出，石墨烯材料同樣可能運(yùn)用在生物裝置，醫(yī)藥和食品殺菌包裝和輕便堅(jiān)硬的復(fù)合材料（用于飛機(jī)，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(jù)這個原理最新發(fā)明了被稱為“人造石墨烯”的材料。這項(xiàng)研究發(fā)表在了最近的《自然》雜志上，發(fā)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(xué)研究所的研究員與美國斯坦福大學(xué)的同事們一起發(fā)明了這種人造材料，他透露，“它可以讓我們更精確的應(yīng)用其更為奇妙的特性。”這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(xiàn)開啟了該種材料大規(guī)模生產(chǎn)之路。“由于現(xiàn)有的石墨烯沒有達(dá)到必要的純度，所以人造石墨烯能夠被用來研究現(xiàn)有石墨烯身上觀察不到的特性。”他在致本報的一封郵件中如是說。

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。”然而目前，“人工石墨烯的造價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(chǎn)品商業(yè)化的必要條件。該名研究員也期待“人造石墨烯的出現(xiàn)能幫助其他研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)”。

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(dá)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(dǎo)電），六方氮化硼（絕緣晶體并透明，高硬度，與石墨烯的結(jié)合優(yōu)化了其機(jī)電性能），二硫化鉬（一種二維晶體，在應(yīng)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(yōu)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(dá)曾與石墨烯的發(fā)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(lǐng)域處于世界前列：“歐盟石墨烯旗艦研究項(xiàng)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(chǔ)研究，同時也推動了這些研究陳果的工業(yè)化進(jìn)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(shù)開發(fā)之中”，普拉達(dá)說。

“在目前金融危機(jī)的形勢下，西班牙應(yīng)該轉(zhuǎn)變成解決方案和高潛力高需求產(chǎn)品的生產(chǎn)者（不能僅僅是消費(fèi)者）。尤其是，石墨烯能使我們成為世界的領(lǐng)頭人，我們能將這項(xiàng)未來技術(shù)出口給全世界。”她總結(jié)說。