新材料家族里的“高帥富”

劉霞

出門前用5秒鐘給手機充滿電，一次充電就可以用半個月，這聽起來是不是很炫很酷？超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、超級鋰電池、太空電梯等，是不是更讓你驚掉下巴？

其實，這并非科幻小說中的場景，而是可以實現的，“幕后功臣”就是現在聲名煊赫的石墨烯，它被譽為“21世紀的神奇材料”。

石墨烯為“何方神圣”

石墨烯結構一直被認為是理論模型，難以單獨穩定存在，直到2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料——石墨烯，證實了它可以單獨存在。

這兩位科學家也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，摘得了2010年諾貝爾物理學獎的桂冠。

石墨烯是單原子層的二維晶體材料，是人們發現的第一種由單層原子構成的材料，也是結構最為簡單的碳材料。鉛筆里用的石墨可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此，石墨烯也被視作“單層石墨”。

石墨烯是目前已知的世界上最薄、最強、導熱性最好且擁有強大柔韌性的納米材料：它可以薄到只有一個碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬片石墨烯；它的強度比鋼還要高100倍；它也有優異的導電性；還具有在可見光下透明但不透氣等特殊的性質。

由于身懷諸多“絕技”，“出世”僅10多年的石墨烯已引無數科學家競折腰，不愧為新材料家族的“高帥富”。它可用來制造透明觸摸屏、超靈敏的傳感器、電池、發光二極管（LED）等；還可用來制造防彈衣、航空航天材料；并有可能成為硅的替代品，在半導體領域“大顯身手”。

飛入尋常百姓家

柔性顯示屏

智能手機廠商和可穿戴設備廠商一致認為并堅信，可折疊彎曲的柔性顯示屏技術，將來會徹底革新手機領域和可穿戴領域。因此，他們都在大力推行柔性顯示屏技術的研發工作，石墨烯由于其得天獨厚的柔韌性而成為一種理想的候選材料。

2014年9月，英國劍橋大學石墨中心和英國塑料邏輯公司（Plastic Logic）聯合研制出了柔性石墨烯顯示屏原型，這是石墨烯首次應用于基于晶體管的柔性電子設備上。這種技術未來的發展可能還包括液晶顯示屏（LCD）和有機發光二極管（OLED）技術，提供全彩色功能，并支持所需的高速刷新率。

更合身的可穿戴產品

可穿戴設備作為目前科技產品中最炙手可熱的“寵兒”，受到各路人士的追捧，但目前市面上大多數可穿戴設備的屏幕依然是平面型的，和我們的身體不能很好地貼合。

石墨烯具有很好的柔韌性、很高的強度，這讓它既適用于手腕上的觸控，也增強了屏幕的抗損能力。柔性電池也讓智能穿戴設備成為更貼身舒適的標配。因此，石墨烯在智能可穿戴設備領域潛力很大。

讓我們打開思維的翅膀想象一下：1年以上的續航能力、可根據手腕粗細調節弧度的柔性彎曲屏，加上照顧你身體各種機能的健康APP應用，由石墨烯研制的產品將成為你的“貼身管家”，讓你享受更加健康美好的生活。

新能源電池

目前，在市場上，以特斯拉為代表的電動車已成為愛車人士眼中的“香餑餑”，但電池是高性能電動汽車最為昂貴的部分。而且，智能手機、相機、游戲機等也都需要大量的鋰電池。

由于石墨烯極高的比表面積（指單位質量物料所具有的總面積），因此化學反應速度和材料利用率更高，而且，石墨烯極佳的導電和導熱性能也有利于鋰離子的擴散傳輸，使鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間快速大量地穿梭運動，借此特性研制出的石墨烯鋰電池，能將幾小時的充電時間縮短為幾分鐘。

據西班牙《世界報》2014年報道，西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產品的3倍。用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000千米，而其充電時間不到8分鐘。而且，這種電池的使用壽命是傳統氫化電池的4倍、鋰電池的2倍。另外，因石墨烯天生輕盈，此電池的重量僅為傳統電池的一半，使裝載該電池的汽車更加輕量化，進而提高了汽車的燃油效率。

雖然這款電池優點多多，但并不“傲嬌”，Graphenano公司相關負責人稱，此電池的成本將比傳統鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內。

另外韓國財經雜志《Business Korea》網絡版刊文稱，三星研究團隊開發了一項技術，通過在硅表面覆蓋石墨烯制作出了一種新的“硅陰極材料”，制作出的新型電池能提供1.8倍于現今鋰電池的能量密度，而且200次充放電之后，還能維持1.5倍的能量密度，同時保持了其尺寸、體積和安全性。這款電池不僅可用于智能手機和平板電腦，還能使電動汽車一次充電行駛更遠的距離。

有鑒于此，很多人認為，石墨烯會是拯救鋰電池的“法寶”。但石墨烯電池的研發成本較高，目前很難普及。如果在不久的將來，這類新產品能實現量產，那么，電池的發展將翻開新的篇章。

半導體材料

由于電子和原子的碰撞，傳統半導體和導體會以熱的形式消耗大量能量，導致目前電腦芯片以此方式浪費了約80%的電能，使硅芯片的速度很難繼續提高。另外，硅的極限是7納米，現已接近臨界點。而石墨烯的電子能量幾乎不損耗，且電阻率極低，電子遷移速度比硅材料快10倍，因此或可被用來研制更纖薄、速度更快的新一代電子元件或晶體管，具有顛覆硅時代的潛力，承載著未來變革產業的希望。

比如在芯片領域，早在2011年6月，IBM沃森研究中心的科學家表示，他們成功研制出了全球首款由石墨烯圓片制成的集成電路，向開發石墨烯計算機芯片前進了一大步，這一成果也被評為了2011年全球十大科學新聞之一。科學家們認為，這項突破可能預示著，未來可用石墨烯圓片代替硅晶片。而且，這塊集成電路還可以運行得更快，屆時，由這類集成電路制成的芯片可以改進手機和無線電收發兩用機的信號，未來，手機或許能在一般認為無法接收信號的地方工作。

2014年10月，IBM研究人員發現石墨烯材料能大幅降低藍光LED成本，這種技術有望催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“后硅時代”組件。

2014年12月，IBM宣布研發出號稱全世界速度最快的石墨烯場效晶體管（FET），可在26GHz頻率下運作。研究人員預測，碳元素更高的電子遷移率，可望使該種材料超越硅的極限，達到100GHz以上的速度跨入兆赫領域。

鑒于石墨烯在半導體領域的巨大潛能，IBM公司計劃在未來5年內投入30億美元研究下一代芯片技術。他們希望能借此研發出速度更快的芯片，實現更快的計算能力，推動人工智能和更強大的認知計算的發展，使計算機系統最終實現類似人腦的效率、尺寸和能耗。

知識鏈接

微處理器

一顆微處理器就是由采用不同材料制成的許多“層”堆疊起來的電路，里面包含了晶體管、電阻器、以及電容器等微小元件。它是一種具有中央處理器功能的大規模集成電路器件。微處理器是微型計算機的中央處理器，其本身并不等于微型計算機。

晶體管

一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基于輸入電壓控制輸出電流，它利用電訊號來控制自身的開合，開關速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

兩只“攔路虎”

盡管石墨烯優點多多、潛能大，但在其叱咤風云的道路上，仍有一些“攔路虎”需要解決。首先，工業生產中沒有成熟的技術可用于大規模生產具有特殊性能的石墨烯；其次，用于硅基處理的傳統固態技術不適用于高分子材料石墨烯的加工。

但科學家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的勇士，在這群“武松”面前，一切真老虎也都變成了“紙老虎”。

據媒體報道，2014年4月，三星宣布，三星先進技術研究所（SAIT）與韓國成均館大學合作開發出一種新合成方法，可大面積制備應用于半導體的晶圓級單晶石墨烯。而且，用該方法制備的石墨烯單晶具有優異的電性能和機械性能。該研究所負責人說：“我們預計這一發現將加速石墨烯的商業化，并可能開創消費電子技術的新時代。”

另外，西班牙AIMEN技術研究中心的研究人員于2015年8月10日在《應用物理快報》上發表論文，介紹了使用超高速激光加工石墨烯材料的新技術。在這項研究中，科學家們通過短激光脈沖，誘導石墨烯的化學晶格發生了變化。單個激光脈沖的持續時間僅有幾秒，石墨烯中的極性分子會像水波那樣產生一個持續的振蕩。在振蕩過程中，可通過切割石墨烯晶體，把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。如此一來，大量的石墨烯可在高速度、高精度條件下被裁減，為石墨烯的廣泛應用開辟了新的途徑。

俗話說，皇帝的女兒不愁嫁，高帥富當然也不乏大把人追。中、美、歐盟等主要國家和地區均高度重視石墨烯的研究和開發，期待它能帶來巨大的市場價值和技術變革。

21世紀的神奇材料“石墨烯”，承載了人們對未來生活的諸多美好想象。未來10年這些想象可能就會變成現實，讓我們拭目以待吧！