功能強大的新材料

高峰

石墨是碳的同素異形體，石墨烯可由石墨剝離出來，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯。可以說石墨烯是“單層石墨”，它是由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的網狀二維納米材料，常見的石墨可以看作是由石墨烯層層疊加而成的。

石墨烯是目前已知的最薄材料，它透明而不透氣；它是最堅硬的材料，比同等重量的鋼鐵堅硬200倍；它是導電性能最好的材料，其導電性優于銅和銀，常溫下它的電阻率最小；它還可折疊彎折，擁有良好的靈活性，能承受攝氏2500度高溫。

石墨烯的性能頗具神奇色彩，有關研究對其進行了上百種用途的實驗，包括電池、夜視鏡、光探測器、醫學掃描設備等，結果常常令人驚喜不已。石墨烯給人留下的印象是它可以改變世界，其廣泛的應用前景可從以下幾個方面略見一斑。

新型顯示屏。未來的顯示屏可折疊彎曲，在下一代高科技電子設備上，這種柔性顯示屏是不可缺少的。現已制造出由多層石墨烯材料構成的透明可彎曲顯示屏，甚至可制成更加高效、可打印替代的柔性顯示屏。同樣，柔性電池也是讓智能穿戴設備更為貼身舒適的標配，它能讓廠商更為輕易地設計出各種規格的智能穿戴設備。顯然，石墨烯在智能穿戴設備的發展上具有很大潛力。

新能源電池。現已成功研發的石墨烯超級電池，儲電量是目前市場最好產品的三倍，可供電動車行駛1000公里，充電時間不到8分鐘，而成本比鋰電池低77%，重量也僅為傳統電池的一半；質子傳導膜是燃料電池的核心，石墨烯可用在燃料電池里作超薄濾膜，由于它不透水卻能讓質子通過的特性，可以大大提升氫燃料電池的功效；表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造可變形透明太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，由于石墨烯是一種透明的良性導體，具有直接植入服飾的潛力，這意味著可直接通過新材料服裝來充電。

靈敏傳感器。石墨烯可以制成用途廣泛的高光敏度傳感器。這種傳感器使用了“滯留光線”的納米結構，能夠比傳統的傳感器更長時間地捕獲光子，而且使光學和電學檢測相互兼容。這就會產生更強的電信號，便于將其轉變成圖像。這種傳感器對光線的敏感度超過現有攝像機所使用的成像傳感器1000倍，可產生更加清晰和精美的圖片。石墨烯傳感器還可用于航天領域，對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。

新防護材料。石墨烯承受子彈沖擊的性能勝過鋼鐵，所制成的“紙片防彈衣”，在強度提升數十倍的前提下重量減至現有材料幾十分甚至幾百分之一，更便于攜帶。不過，短時間內石墨烯替代這些材料并不現實，比較可行的辦法是將石墨烯以添加劑的形式廣泛應用于新型高強度復合材料之中。石墨烯復合材料還有望制成新型盔甲系統，作為宇宙飛船的保護涂層，它在航空航天軍工領域應用前景廣泛。

半導體材料。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體以熱的形式消耗大量能量，目前電腦芯片以這種方式浪費了約80%的電能，石墨烯的電子能量幾乎不損耗。現在芯片有極限寬度，硅的極限是7納米，已經臨近邊界了。石墨烯具有非同尋常的優良特性，它具備了顛覆硅時代的潛力，承載著未來變革產業的希望。

由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯具有提升和變革若干產業領域的巨大潛力，世界主要國家均高度重視發展石墨烯相關產業，眾多科研機構和公司致力于石墨烯的應用研究和開發，期待它帶來巨大的市場價值。截至2014年5月，全球在石墨烯領域申請的專利數量為11372項，其中亞洲占3060項。未來10年石墨烯將在復合材料、透明半導體材料、能源、光子、光電子和傳感器等領域得到廣泛應用。

總之，石墨烯已成為科學界的熱點、工業界的新寵。這不僅得益于其優異、獨特的諸多性能，更是由于這些特性所衍生的應用前景和觸發產業和技術革命的可能性。