顛覆未來作戰的前沿技術系列之石墨烯

吳勤

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應用的全球熱潮。石墨烯優異的性能使得它在多個領域具備變革潛力，已經有所建樹的領域包括散熱材料、柔性觸摸面板、微型傳感器、電容、芯片材料等，在信息技術、航空航天、生物環保等領域顯現了巨大的應用前景，將對人類社會產生廣泛影響，被稱為“改變未來世界的革命性材料”。如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

“材料之王”性能優異

石墨烯自初次被發現就被賦予“神奇材料”“材料之王”等美譽，單原子納米結構賦予了它許多無以倫比的獨特性能，是迄今發現的厚度最薄、強度最高、結構最致密的材料，并擁有與眾不同的電學、熱學、光學、磁學等特性。

石墨烯是已知最薄最輕的材料之一，它是單碳原子層，厚度僅有0.34納米，相當于一根頭發的1/200000；石墨烯是已知強度最高的物質，比最好的鋼鐵還要高上100倍；石墨烯是已知最堅硬的納米材料，比鉆石還堅硬；石墨烯是已知導電性最好的材料，其電子運動速度高達光速的1/300，遠遠超過電子在一般導體中的運動速度，常溫下其電子遷移率是硅的100倍，其可耐受的電流密度是銅耐受量的100倍左右；石墨烯是已知導熱性最好的材料，導熱系數高達5300瓦/米·度，高于碳納米管和金剛石，更遠高于常用的散熱材料銅以及最好的導熱金屬銀（420瓦/米·度），有望成為劃時代的散熱材料；石墨烯還具備高透光率、高性能傳感、高吸附強過濾，常溫可實現無散射傳輸等優良而獨特的性能。

近期，美國、日本等在制備石墨烯上取得了重要進展。2013年，英國牛津大學團隊通過控制碳原子在銅箔上的排列，同時輔以適當壓力，從而能夠控制石墨烯的厚度、邊緣形狀以及晶界，向大規模制備石墨烯邁進了一步。2014年，韓國三星公司和成均館大學聯合成功研制出在硅晶圓上合成單晶單層石墨烯的工藝，實現了在硅晶圓上的氫端鍺緩沖層生長無皺單晶單層石墨烯，有望解決石墨烯大面積生產問題。2015年，美國能源部橡樹嶺國家實驗室表示，其研究團隊采用化學氣相沉積法制備出了2英寸見方的單原子厚度的碳復合材料，能消除石墨烯片狀集聚問題，這意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料獲得更好的導電效果。

全球涌動石墨烯研發熱潮

由于石墨烯在能源、材料等各大領域都具有巨大的應用潛力，多個國家紛紛將石墨烯及其應用技術研發作為長期戰略予以重點關注。在各方的重視下，石墨烯的研究持續升溫，新的發現不斷涌現，大大加速了其產業化進程。

多國政府積極布局

美國全面布局石墨烯技術。美國的重點集中在石墨烯替代硅材料技術和電子元器件、儲能電池等應用方面，主要由美國國家自然科學基金會、美國國防部及其下屬的以國防高級研究計劃局為首的政府與軍方支持。2006～2011年，美國國家自然科學基金會關于石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續和大規模納米制造等項目；2013年8月，美國國家自然科學基金會設立專項，資助石墨烯熱性能和批量制備技術研究。

歐盟將石墨烯研究提升至戰略高度。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來，一直通過框架計劃支持石墨烯研究。2013年，歐盟委員會選定石墨烯項目作為歐盟首個10年投入10億歐元的“未來和新興技術旗艦項目”，這一項目的使命是幫助石墨烯從實驗室走向社會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發團隊組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。2011年，英國政府把石墨烯作為國家今后四個重點發展方向之一，宣布投入7150萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立國家石墨烯研究院。2014年，英國政府聯合馬斯達爾公司宣布，繼續投資6000 萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創新中心，作為國家石墨烯研究院的補充。

日韓等國加大投入力度。日本學術振興機構從2007年起開始對石墨烯材料、器件的技術進行資助，并以實現綠色低碳為目標重點，支持碳納米管和石墨烯的批量合成技術研發。韓國預計2012～2018年間向石墨烯領域提供總額為2.5億美元的資助。

研發應用取得重大進展

石墨烯的發現雖然僅10年左右，卻引發了席卷全球的一波又一波研究開發浪潮。特別是近兩年來，石墨烯的研究繼續升溫，新的發現不斷涌現，大大加速了其實用化進程，引發了人們的高度關注。

在石墨烯材料研發方面，2013年，美國麻省理工學院研究發現，將具備高電子遷移率的石墨烯薄膜材料置于兩片鐵電材料之間，石墨烯薄膜材料可以產生太赫茲信號，利用該機理，有望為光電信號互換提供新方式。美國加州大學圣巴巴拉分校研究人員與萊斯大學合作，在2014年展示了可實現大面積Bernal型（或AB型）堆疊雙層石墨烯薄膜的新技術。

在能源方面，石墨烯的應用主要集中在氫能存儲、超級電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等方面。2013年，美國萊斯大學制造出高比容微型石墨烯鋰電池，比容達到204毫安時/克，厚度僅10納米，充放電時間20秒。試驗表明，充放電1000次后電容量僅損耗10%。2014年，麻省理工學院利用兩張褶皺的石墨烯紙制作了簡單的超級電容器。研究人員證實，這種石墨烯紙可以平復1000次，且制造的超級電容性能不發生明顯降低。這種將石墨烯起皺的技術不僅可用于制造超級電容器，也可用于制作柔性電池的電極，或者為特定的化學或生物分子制造可伸縮傳感器等。

在探測與傳感器方面，2012年，德國慕尼黑工業大學的科學家成功制成石墨烯光電探測器，能非常快速地處理和引導光電信號。2014年，美國密歇根大學的科學家通過將可感應光子的石墨烯薄層嵌入到隱形眼鏡之中，從而使昏暗的圖像看起來更明亮。

在顯示屏方面，2014年，英國劍橋大學的研究人員展示了首個可彎曲的石墨烯柔性屏幕，采用軟塑料和石墨烯底板取代了傳統的金屬電極。2014年，韓國三星先進技術研究院與成均館大學聯合宣布，他們已經合成一種能在更大尺度內保持導電性的石墨烯晶體，這是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設備上的屏幕顯示技術。

在芯片材料方面，石墨烯被譽為“21世紀取代硅的材料”，有望成為新一代的電子元件或晶體管材料。2012年，韓國三星公司利用石墨烯研制出了新的晶體管結構，形成了一個叫做“肖特基勢壘”的能源壁壘，通過調整壁壘高度可以實現電流的開關。2014年，IBM公司發布由片級石墨烯材料制造的全功能集成電路，它是最先進的全功能石墨烯集成電路，可使電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數據信息。

在環保與生物方面，近期進展主要集中在污染物的吸附、海水淡化等。美國萊斯大學和俄羅斯國立羅蒙諾索夫大學的研究人員發現，僅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，并凝結成固體，陸地、水下都能使用。2012年，麻省理工學院研究人員借助石墨烯開發出了一種海水淡化的新方法，通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，從而改變石墨烯小孔邊緣的性質，使其能夠排斥或吸引水分子。這種特制的石墨烯就如同篩子一樣，能快速地濾掉海水中的鹽。2013年，美國洛克希德·馬丁公司也研發了一種新的石墨烯海水凈化系統，其采用的薄膜厚度是目前市場上最好薄膜的1/500，強度卻達到了它的1000倍，過濾同樣多的鹽分所需的能源和壓力也是它的百分之一。

巨大應用前景改變未來戰場

石墨烯具有卓越而獨特的電學、光學、力學、化學性能，這些優越的性質及特殊的二維結構使其在國防軍事上有著難以估量的應用前景，將對未來作戰產生顛覆性的重大影響。

利用石墨烯超薄超輕、抗壓力強的特性，通過與其他材料復合，研制出了具有超薄、超柔和超輕特性的新型超強材料，可用于機翼、彈翼等。利用石墨烯的導電性和導熱性，可代替硅、鍺等材料制成電容、晶體管、集成電路，成為新一代電子元件，可用于超級計算機、雷達、通信設備等未來新型軍用電子裝備上。石墨烯還有望蘊育出新型寬帶激光器，并取代半導體可飽和吸收鏡成為飛秒光纖激光器的核心材料。

石墨烯可用于防彈衣、裝甲車輛的新材料中，用于代替凱夫拉、芳綸等高性能材質，在減輕重量的同時還能提高防護能力。近期實驗數據顯示，石墨烯可以迅速分散沖擊力，并能中斷通過材料的外展波，承受沖擊的性能遠勝鋼鐵和凱夫拉等材質。用石墨烯制成的防彈衣擁有2倍于現有防彈衣技術（凱夫拉纖維）的防護能力。美國萊斯大學的研究人員進行了一次微觀彈道測試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發現這種蜂巢形結構的材料可有效分散動能，其能力比凱夫拉強2倍，比鋼材強10倍。

利用石墨烯透光性好、對環境敏感度高的特性制成的高效光傳感器，可用于紅外夜視儀和紅外熱像儀等光電探測裝備中，也可以生產導彈用的非制冷紅外導引頭，提高導彈的精度和毀傷目標的能力。IBM公司已經研制出石墨烯/絕緣體超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可實現太赫茲級頻率的濾波器與線性偏光片等光學元件，有助于在未來擴展至中紅外和遠紅外波段的光電設備應用中。2014年3月，美國密歇根大學的研究人員利用石墨烯開發出一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器，其實現方式是在兩層石墨烯之間放置一個絕緣層，然后施加電流，當接觸到紅外光后，可產生足夠的電流生成紅外圖像。該新技術無需笨重的冷卻裝置就能運行，首次實現了在室溫下對全紅外光譜的觀測。

石墨烯具有高透明性、強韌性以及優良的導電性，可用于制作各類武器裝備上的儀表盤、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯制作的柔性屏幕，不僅清晰度高、安全性好，而且重量輕、便于折疊與攜帶，在單兵作戰系統、增強現實裝置、軍用可穿戴設備上優勢明顯。

在能源方面，石墨烯作為負極材料能夠大幅提升鋰電池性能，并提高電池的彎曲、拉伸等力學特性；石墨烯同時兼具高透過性和高導電性，使其可成為透明電極應用于太陽能電池；利用石墨烯類膜材料特性，有望解決燃料電池核心部件質子傳導膜的燃料滲透難題；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，普遍認為它有希望成為理想的超級電容器極板料。2012年，美國陸軍研究實驗室首次證明，在柔性襯底上采用噴墨打印技術可以制備出石墨烯超級電容器電極，并進一步制造出柔性超級電容器原型。運用石墨烯開發的柔性超級電容器可以增強超級電容器的性能并減少尺寸，與電池相比，其功率密度更高、壽命更長，可增加武器和無人系統的動力并減輕重量。

此外，石墨烯還可以制成特殊涂料，用于軍艦的艦體防護上，抵御海浪沖擊以及水氣、鹽霧等的侵蝕，大幅提高武器裝備的抗腐蝕能力；石墨烯良好的密閉性，不透氣透水，且能抑制細菌滋生，可用于制作戰地醫療物品、軍用食品包裝袋等；石墨烯的薄層結構對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量，可用于戰場污染物的清理，從而降低對生態環境的損害。

結 語

石墨烯的問世不過短短的十余年光景，但其獨特的二維晶體結構和優異的物理、化學特性，使它迅速成為眾多領域的研究熱點，并在國防和軍事等領域扮演重要角色。但是，石墨烯的更廣闊利用仍面臨很多問題需要解決，我們必須統籌規劃，精心布局，緊緊抓住石墨烯研發和產業化所帶來的重大發展機遇，努力掌握未來科技競爭的制高點。

責任編輯：葛 妍