石墨烯：神奇的“新材料之王”

文/任瑋 蘇萬明

手機(jī)充電僅需幾秒?手機(jī)屏幕能折疊彎曲?……這些或許都將因?yàn)橛小?1 世紀(jì)神奇材料”之稱的石墨烯面世而成為可能。

當(dāng)今，全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力，各國都在謀求新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)升級(jí)突破。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國家之一，我國科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)人士正將目光聚焦在它身上。

石墨烯到底有多神奇?會(huì)否給生產(chǎn)生活領(lǐng)域帶來“顛覆性”變化?今天，讓我們走近石墨烯一探究竟。

石墨烯：神奇的“新材料之王”

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一、2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·海姆這樣描述：“石墨烯對(duì)很多人來說就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇”。

這種神奇物質(zhì)，到底是什么?

石墨烯，實(shí)際就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。鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起。

“它是迄今為止自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，可以被無限拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，還可以抵抗很高的壓力。”日前應(yīng)邀來華參會(huì)的安德烈·海姆說，石墨烯還有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。

“石墨烯導(dǎo)電率高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種用于移動(dòng)電池、電源很理想的電極材料。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院金屬研究所研究員成會(huì)明表示，石墨烯可以和電子元件、電子設(shè)備進(jìn)一步相結(jié)合使用，以此增強(qiáng)其它儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電率。

石墨烯另一個(gè)奇特之處在于“零滲透”——所有氣體、液體都無法滲透。這也使得石墨烯產(chǎn)品有了“針插不進(jìn)、水潑不進(jìn)”的本事。

“給船體涂上石墨烯涂層，海水中重金屬離子等就無法穿透這層薄膜去腐蝕船體。”青島賽瑞達(dá)電子裝備股份有限公司董事長(zhǎng)宋立祿說。

讓人感到驚奇的還遠(yuǎn)不止這些。石墨烯具有超強(qiáng)吸附性，科學(xué)家正在研究用它做過濾裝置，用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域;它又幾乎是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產(chǎn)品原料。

石墨烯正從實(shí)驗(yàn)室走近人們生活

“新材料未來需求巨大。比如納米型新材料石墨烯的應(yīng)用，在危險(xiǎn)化學(xué)品類火災(zāi)中不能用水去滅，但如果用石墨烯薄膜打過去就可以了。而使用石墨烯材料，手機(jī)未來可能薄到跟酒店房卡差不多。”清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授魏杰在解讀“十三五”規(guī)劃建議提到新材料產(chǎn)業(yè)時(shí)說。

日前在青島舉辦的2015 中國國際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，石墨烯理療、保暖產(chǎn)品、LED 用高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料、石墨烯防彈材料、石墨烯電熱服裝等20 余種石墨烯產(chǎn)品已經(jīng)全新推出。

“利用石墨烯特性，研發(fā)新型防彈衣，防彈插板只需17 毫米就能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)產(chǎn)品的防彈效果，重量還可減輕20%。”青島華高墨烯科技有限公司董事長(zhǎng)施建新說，目前這款防彈衣已與3 家使用單位簽約。

一直以來，智能手機(jī)的續(xù)航能力始終是最大短板。宋立祿表示，他們研發(fā)的石墨烯新型鋰電子電池，充電時(shí)間大大縮短，手機(jī)幾分鐘就能完成充電。

不久前，華為宣布與英國曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院合作，研究如何將石墨烯領(lǐng)域的突破性成果應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信設(shè)備。可以預(yù)想，手機(jī)將繼功能機(jī)向智能機(jī)變革之后，再發(fā)生新“革命”——石墨烯的特性未來將使顯示屏超薄、超輕，實(shí)現(xiàn)可卷曲的柔性顯示。

目前，被業(yè)界譽(yù)為“東方碳谷”之稱的江蘇常州，已擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)和企業(yè)孵化的服務(wù)平臺(tái);中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院也成功制備出15 英寸單層石墨烯手機(jī)顯示屏;高鐵內(nèi)飾材料中已開始使用石墨烯……石墨烯技術(shù)正在悄然影響著生產(chǎn)生活等領(lǐng)域。

石墨烯時(shí)代真正到來還需時(shí)日

工業(yè)與信息化部原材料工業(yè)司司長(zhǎng)周長(zhǎng)益說，“近年來結(jié)構(gòu)材料、石墨烯等前沿新材料均實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。這些材料目前總量較小，但其發(fā)展加快了原材料工業(yè)關(guān)鍵材料轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐。”

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國石墨礦儲(chǔ)量占到世界總儲(chǔ)量的75%，生產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量70%，具備發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)的資源基礎(chǔ)。截至目前，我國石墨烯企業(yè)已超過百家，并在常州、無錫、青島、深圳等地形成產(chǎn)業(yè)集群。

不過，也有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，要真正走向市場(chǎng)，過程“前景光明，道路曲折”。

首要困難是受限于材料生產(chǎn)。中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范說，要實(shí)現(xiàn)石墨烯商業(yè)化，需要生產(chǎn)出低成本、高品質(zhì)的石墨烯成品。“但制出這種石墨烯并非易事。技術(shù)層面上還有很多挑戰(zhàn)，批量化或大尺寸生產(chǎn)都還沒能克服。”

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員、石墨烯課題組長(zhǎng)陳成猛指出，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前還存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品品質(zhì)待提升、上下游互動(dòng)不夠等問題。

筆者發(fā)現(xiàn)，盡管目前國內(nèi)石墨烯市場(chǎng)火熱但魚龍混雜，有的企業(yè)甚至直接將石墨當(dāng)作石墨烯來宣傳、銷售。

“目前石墨烯行業(yè)缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)石墨烯的質(zhì)量、制備工藝、檢測(cè)設(shè)備和方法等，都沒有科學(xué)統(tǒng)一的說法。”施建新說。

專家認(rèn)為，石墨烯產(chǎn)業(yè)必須要避免當(dāng)年納米技術(shù)那樣一哄而上的局面，需要整個(gè)資源進(jìn)行創(chuàng)新布局，形成聚合效應(yīng)。