納米材料石墨烯

前途非常光明

單層石墨烯是世界上最薄、最強、最堅硬的材料，還具備極佳的導熱性和導電性。童話故事常常偏愛“3”：寶藏通常藏在第3個箱子里，名利雙收的也往往是第3個孩子。3種新型碳材料中發現最晚的一種——石墨烯，沒準兒也能繼承這種幸運。科學家于1985年首次發現了足球形狀的富勒烯，接下來又在1991年首次觀察到了空心圓柱狀的碳納米管，這兩種材料對工業界的影響至今仍相當有限。但石墨烯，這種僅一個原子厚的單層碳材料，前途似乎非常光明。不得不提的一大征兆就是，關于石墨烯性質的開創性實驗，以驚人的速度摘取了2010年諾貝爾物理學獎。

隨著眾多公司競相針對它的優良性能進行市場化開發，石墨烯獲得了媒體的關注。2010年，大約有3 000篇研究論文和超過400項專利申請以石墨烯為主題。韓國計劃投資3億美元用于石墨烯的商業化，包括IBM、三星在內的許多公司都在開發石墨烯電子器件——這種超小、超快的器件有朝一日可能取代硅芯片。

對石墨烯的宣傳可謂天花亂墜，以至于對它不甚了解的人或許會奇怪，為什么它還沒有征服技術應用領域。童話故事畢竟不是現實。石墨烯的幾位“前輩”也經歷過幾乎相同的夸大宣傳。然而，富勒烯至今幾乎找不到任何實際應用。碳納米管的情形稍好一些，但它生產成本高昂，而且難以控制。它們被工業界漸漸遺忘是一個很好的教訓，讓我們知道新材料的商業化是一件多么困難的事。

然而，在碳納米管的故事中，有幾段還是挺鼓舞人心的。盡管高科技的電子學應用在多年后才可能實現，但一種科技含量低得多的應用——用于儲能元件或觸摸屏的碳納米管導電薄膜，距離商業化已經很近了。另一個相對簡單的用于飛機和汽車的碳納米管強化復合材料，也將很快面市。碳納米管生產商預感到了需求的增長，已經把生產規模擴大到每年數百噸。

優勢更加明顯

研究者認為，石墨烯擁有和碳納米管類似的用途，但是石墨烯在生產和加工的某些關鍵方面相比碳納米管優勢更加明顯，它還從20年來的碳納米管研究工作中獲益匪淺。這種后來者居上的勢頭，使得石墨烯生產商更清楚哪類應用值得追求，還對避免碳納米管在前10年中遭遇到的失敗開端有了更明智的見解。

碳納米管和石墨烯共有的優異性質來源于它們相同的結構——碳原子按蜂窩狀圖案排列而成的單原子厚的網格，極強的碳-碳鍵保證了高得驚人的強度重量比。石墨烯強度極大，假設存在一張由完美石墨烯制成的吊床，面積為1平方米，它可以承受住1只4千克重的貓。而吊床自身的重量比貓的一根胡須還輕，而且我們用肉眼無法看見這張吊床。上述兩種碳納米材料里的碳原子在六邊形晶格結構中都呈對稱排布，使得它們的導電性遠遠超過了計算機芯片使用的硅材料。這也意味著它們的電阻要比硅低得多，因而產生的熱量也低得多。

此外，碳材料結構上哪怕出現微小的變化，也會創造出大量新的性質。對石墨烯來說，電子學性能取決于片層的尺寸、晶格上是否存在缺陷，以及缺陷是否位于導電表面上。類似地通過改變碳納米管的直徑、長度和“扭曲度”就可以被制成半導體型或者金屬型。單根碳納米管和內部有多層柱體相互嵌套的所謂多壁碳納米管也存在差異。這些特性很早就讓研究者看到了顛覆電子學應用的希望。1998年，物理學家展示了使用一個單根半導體型碳納米管制成的晶體管，2007年，研究人員報道合成了基于碳納米管的晶體管收音機。

但若要實現這類電路的工業化量產，就會遇到一個棘手的問題：如何克服碳納米管的易變性。碳納米管大多在反應器中生產，反應器中的催化劑會引導富含碳的蒸氣組成納米管。產物通常是多壁和單壁、半導體型和金屬型、以及各種長度和直徑的納米管的大雜燴，每種納米管的電子學性質都不盡相同。多樣性是美妙的，但當你的研究對象過于多樣化，就成了一個令人頭痛的問題。

究竟誰來取代硅片？

研究人員直到最近5年才找出了區分半導體型和金屬型碳納米管的方法。但是要在芯片上安裝特定的納米管，并把分離的納米管連接起來，同時還要不影響它們的性能，存在更大的困難。因此大多數物理學家都認定，碳納米管取代硅是不現實的。一塊集成電路肯定要涉及數十億個相同的碳納米管晶體管，所有晶體管都要在完全相同的電壓下工作。就目前的技術來說，這是不可行的。石墨烯可以讓我們樂觀一點。目前最優質的石墨烯片層是通過在真空中加熱碳化硅薄片制備的，這種方法會在容器頂部表面留下一層純凈的石墨烯。相比合成碳納米管的方法，這種方法制出的每批樣品之間不可控變數較少，平面片層也比納米管更大，更易于處理。然而石墨烯也存在問題。單個石墨烯片層傳導電荷的能力非常強，以至于電流很難被截斷。如果要用石墨烯制造數碼設備上像開關一樣控制電流通斷的晶體管，這是一個必須解決的問題。

碳納米管的前車之鑒必須警惕，碳納米管可以從尖端發射電子去激發熒光屏上的熒光物質，因而曾被認為有希望用于制造電視機屏幕。但是實際上，它的競爭對手等離子和液晶顯示器捷足先登，成為了現在使用最廣泛的顯示屏。

石墨烯有可能在近期實現的一種應用或許是超級電容。它通過折疊石墨烯片層，在極小的空間內創造出巨大的表面積，這將使每克這種材料存儲的電荷比其他任何材料都多。還有一些研究人員試圖將碳納米材料用于制造燃料電池的催化電極，甚至制造水凈化膜。但是，跟往常一樣，要想做出顯著超越活性炭等已有材料的新品，并不是一個簡單的問題。

現在，許多公司都不約而同地在增加石墨烯的產能。科學家認為，石墨烯會找到自己的位置，但是花費的時間會比大家想象的更長。