“老朋友”石墨烯近況如何？

呂默默

“哇，真漂亮！我得拍照發個朋友圈。”當我們看到新奇事物或者美麗風景，總希望和朋友一起分享，但恰好遇到手機電量不足，該怎么辦呢？帶上充電寶？不夠方便。換大容量電池？現今的手機大多不支持自行更換電池。這時碳家族的“學霸”石墨烯閃亮登場了！對于石墨烯，雖是新材料，卻早已不陌生。那么你了解過這位“老朋友？的近況嗎？

“全能學霸”石墨烯

石墨烯源于碳家族，這個家族分為兩種，一種是碳的化合物，一種是碳單質。純凈的碳單質有金剛石、富勒烯和石墨。而石墨烯是從石墨中剝離而來，是只有一層原子厚度的二維晶體，非常輕薄。舉個例子，20萬片石墨烯薄膜的厚度加起來也只有一根頭發粗細。

石墨烯憑借什么成為“學霸”？我們來做個比較，首先論強度。石墨烯是人類已知機械強度最高的材料，比鋼鐵還高200多倍。其次是熱力學性質，也就是導熱，是目前已知導熱率最高材料的2.5倍。電子遷移率約為硅中電子遷移率的140倍，溫度穩定性高，電導率可比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。一門成績好也就罷了，石墨烯則是門門功課成績領先！在各種特性上直接碾壓了其他材料，不得不說是個“全能學霸”！

充電1分鐘，通話20小時

大家肯定聽過這樣一句廣告詞“充電5分鐘，通話2小時”。如此的充電效率和速率在以往是不能想象的，但與石墨烯復合材料電池相比，這只能算“小菜一碟”。石墨烯復合材料電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速、大量穿梭運動的特性制成。這種電池可以在不到1分鐘內充滿，滿電狀態通話時長至少10小時以上，理論上在20小時左右。手機廣告中所說的2小時又算什么呢（7所以這樣的石墨烯電池是不是手機電池中的“學霸”呢？

近日，中國航發北京航空材料研究院石墨烯及應用研究中心燕紹九博士披露，新型石墨烯鋰離子電池研制成功，充電時間僅僅為普通電池的十分之一，壽命更長，電量更足。相信不遠的將來，石墨烯手機電池終將走進現實。

將屏幕植入皮膚

石墨烯有著極薄的構造（只有一層原子構造）和非常好的透光性，所以非常適合用來制造柔性屏幕。如今我們使用的手機、平板電腦的屏幕，都非常脆弱，并且不能折疊，柔性屏幕則方便很多。也許以后我們只帶一部手機就可以滿足大屏的需求，因為手機屏幕可以折疊，展開就是大尺寸的電腦屏幕了，這也是石墨烯未來的發展方向之一。這樣還不夠方便？科學家利用石墨烯柔性觸摸屏輕薄、透光性好的特性，還設計出了可以植入皮膚表面的屏幕。想象一下，當我們抬起胳膊，就可以在手臂上收發微信消息，可以看視頻，甚至還可以打游戲，這都和“學霸”石墨烯分不開。

讓電動公交車升級

現今最環保、最拉風的汽車是什么？當然是不燒油、不燒氣的電動汽車了。目前許多城市的公交車都是電動汽車。但制約電動汽車發展最大的瓶頸是電池或者稱為電容器。與我們平時用的手機電池不一樣，石墨烯復合材料超級電容器擁有更大的儲電容量和更快的充電時間。有多快呢？西班牙某研究組織初步設計出了一款超級電容器，可以在8分鐘內充滿電。古代形容千里馬可以日行千里，這里用了夸張的修辭方法不說，馬兒還需要休息，就是吃頓草料也不止8分鐘吧。

指甲蓋上的電腦

我們平時使用的手機、平板和電腦的核心部件中央處理器（俗稱CPU）屬于半導體材料，以硅為基礎材料的晶體管就是CPU的主要組成部分。通常我們看到CPU上寫著“某某納米技術”，是指CPU上晶體管柵極的寬度，也稱為柵長。柵長越短，則在相同尺寸的材料上可以集成更多的晶體管。硅材料的加工極限被認為是10納米左右，小于這個數值后就不好控制良品率，相對于這一點，石墨烯晶體管可以做到5納米以下。

英國科學家以石墨烯作為新型半導體材料，開發出世界上最小的晶體管，僅僅1個原子厚、10個原子寬。在相同體積下以石墨烯為材料的處理器可以容納更多的結構，從而擁有更快的速度和更強大的計算能力。石墨烯晶體管如此逆天的學霸屬性，使得CPU的微小化有可能成為現實，能想象一個U盤大小的電腦主機嗎？加上石墨烯良好的熱傳導性，最后還解決了散熱問題。以后，指甲蓋大小的電腦主機，甚至更微小的可穿戴設備都將成為現實！

別以為就這樣結束了，“學霸”還有其他能力呢。以石墨烯為基礎材料或者復合材料，加之納米技術的應用，“學霸”在大規模集成電路、超導、人工腎臟、海水淡化、高效催化體系等方面均有著不可估量的美好前景，甚至有科學家聲稱石墨烯會引發下一次材料革命。

“學霸”也有弱點

然而，你可能不知道，“學霸”石墨烯也不是完美的，也有不少缺點。

首先是石墨烯的產能。其實，石墨烯生產起來并不困難。最簡單的方法你我都可以做到，用兩片透明膠帶加上高純度的石墨，一張一合，就能得到不同層數的石墨了。但石墨烯只有一個原子厚度，所以我們還需要再粘，一直得到一個原子厚的石墨烯。

如此操作，效率低下不說，還需要運氣。大家能想象一個工廠里大部分工人低頭玩膠帶粘石墨的情形嗎？所以單層的石墨烯生產并沒有大型產業化。

第二個缺點則是這位“學霸”的各部分屬性只是在實驗室得到驗證，走向大眾化還需要一段時間。就像在學校樣樣拔尖的“學霸”，一旦離開學校走上社會，究竟發展如何還有待驗證。現在就是“學霸”石墨烯即將離校的時代，要想在工作中大顯身手，還需要一些時日。

科技使人們的生活更便利，無論如何石墨烯的出現也逐漸改變著我們的日常生活，將來在手機、汽車、清潔能源、房屋建筑等領域，我們都期待看到這位“學霸”的身影。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）