關于石墨烯材料的哲學思考

韓露

[摘要]近年來因石墨烯其獨特的結構及優異的性能已成為研究的熱點。本文主要介紹了石墨烯力學性能、電學性能、導熱性能等特點并列舉了石墨烯在薄膜、傳感器、超級電容器、儲能等各方面的實際應用，從唯物辯證法的角度來分析了石墨烯材料的研究和開發過程在人與自然共存中的重要作用。

[關鍵詞]石墨烯；認識論；辨證法

一、前言

人們說的石墨烯是將石墨片剝成單層之后，這是基于碳石墨的原子層間作用力很弱，較容易互相剝離。這種由一層以蜂窩狀排列的碳原子結構的單層就是石墨烯。20世紀初，科學家們開始研究石墨烯，2004年，英國曼徹斯特大學的物理學教授安德烈·杰姆和他的學生克斯特亞·諾沃消洛夫用簡單易行的膠帶分離法制備出了石墨烯。它們將石墨剝離成石墨片，然后將石墨片的兩面分別用特殊的膠帶進行粘貼，隨后撕開膠帶，又再次把石墨片一分為二，重復該操作，于是得到越來越薄的薄片，幸運地最后得到僅有一層碳原子厚度的石墨薄片。這種只有一層原子厚度的二維晶體就是石墨烯。

2010年，研創新究石墨烯的兩位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。媒體渲染報道稱“物理學家用透明膠和鉛筆贏得諾貝爾獎。”使用膠帶剝離方法分離高定向的石墨，并因此獲得了真正存在獨立的二維石墨晶體。在此之后，制備石墨烯的新方法不斷涌現，我們發現將石墨烯引入工業化生產將成為將來趨勢。

二、石墨

石墨烯是一種新的緊密型型碳原子的碳質材料，具有立體蜂窩狀晶格結構，同時它具有獨特的物理特性，其中包括：特有的載流子特性，這使得電子在石墨烯傳輸過程產生較小的阻力，因而具有優良的電子傳輸性質。石墨烯的力學性強，導電性能優，韌性好等。

（一）石墨烯的性質

石墨烯其特有的微觀分子結構決定了它特殊的物理化學性質。石墨烯是二維晶體，最大的特點是電子在石墨烯的速度可達光速1/300，遠遠超過在其他導體中的電子速度。石墨烯具有優異的力學，光學和電學性能：結構十分穩定，目前研究結果尚未發現石墨烯碳原子缺失，碳原子之間的連接柔和并且堅韌，超過世界金剛石硬強度；石墨烯幾乎是完全透明的，但非常緊湊，氣密強，不易透水，甚至最小尺寸氦原子大小都可不以穿透；良好的導電性，石墨烯的導電性強，其導電材料遠超過傳統的導電材料。

1.力學性能：由于石墨烯分子結構中碳原子是sp2雜化結構。特殊的分子結構決定石墨烯具有高強度。石墨烯是目前人類已知的強度最高，比鉆石更硬的材料。

2.導電性能：石墨烯結構非常穩定，到目前為止，還沒有發現在石墨碳原子的這種晶格結構缺乏穩定性，石墨烯賦予優異的導電性。

3.導熱率：穩定的石墨烯晶格結構給出優異的導熱性，石墨烯熱導率強于傳統碳納米管和金剛石。

4.化學性質：石墨烯是單層的石墨結構，因此石墨烯可以看作表面因而具有一層石墨屬性的化學性質，石墨烯卷曲在一起，從而形成碳納米管，石墨烯也具有碳納米管相似的化學性質。同時石墨烯到近紅外，可見光和紫外線具有優異的穿透性。

（二）石墨烯的性質應用

石墨烯獨特的結構和優異的性能使科學界產生了巨大波瀾，成為國內外研究的熱點，尤其石墨烯具有納米尺寸的晶體管們將成為“后硅時代”最具潛力材料。石墨烯將成為以后高速晶體管、生物傳感器、太陽能電池、超級電容器和觸摸面板的核心材料。

1.石墨烯薄膜

將石墨烯片重新組裝，在電子，電氣，信息，能源，光學等領域應用廣泛，這也是石墨烯在生活中最接近實際應用的方向。因為其高透光性和導電性的，石墨烯片是最有前途的新的透明導電膜，可以作為顯示器中透明電極，使用新的透明導電膜和背電極材料的太陽能電池應用廣泛。同時因石墨烯薄膜還有較為良好的柔韌性，石墨烯成為制備性透明導電膜材料的首選。

2.儲能材料

高能量密度和高功率密度是當前的能量儲存裝置的一個重要發展方向，電極材料的選擇是關鍵。碳納米材料的能量存儲裝置的屬性，因為該獨特的結構和優異的性能，使其高性能能量存儲裝置提供了一個理想的電極材料。相比碳納米管，石墨不僅具有良好的導電性和化學穩定性，并且具有較大的表面積，該空間是更靈活的特性。因此，基于石墨烯的電極材料，優異的電化學特性，使石墨烯制成比碳納米管更實用的超級電容器。

3.納米生物傳感器

高靈敏度的生物傳感器是由石墨烯納米粒子抗體的還原石墨烯而制備成功的，這是由于石墨烯制備的傳感器靈敏度很高。同時石墨烯電導率傳感器可快速猝滅熒光染料，因此它也可以作為熒光傳感器制備材料。新型石墨烯傳感器優于常規的碳基材料的傳感器。

4.“太空梯”纜線

石墨烯在其他方面的優異性能體現在可以制備被出紙片薄度的超輕性材料，制造超輕型飛機。同時也創造了強硬防彈衣。石墨烯具有非常良好的力性。人們希望穿梭于太空，建造“太空電梯”。石墨烯材料因其比表面積大，韌性強，成為“太空梯”纜線材料首選。石墨烯也可以用作藥物載體，為藥物研發提供較好的平臺。

三、關于石墨烯材料的哲學價值

石墨烯材料出現，是人類認識世界和改造世界的重大突破，說明在人與自然共存的環境中，人類認知能力提升到了一個新的水平。石墨烯材料技術引發認知革命，石墨烯材料的誕生，不僅提高人類認知世界的層次，同時也提升了人類在微觀和宏觀世界認知水平。石墨烯材料是對大自然物質發現和改造的過程，以體現了人類科學技術改善在生產和生活中質的飛躍，也標志著人類科學技術的發展邁向新的空間。石墨烯材料的誕生標志著物質能被反映的客觀實在，石墨烯材料的研究，進一步說明了物質的客觀實在性，并且客觀實在是被人們所反映的哲學原理。

（一）石墨烯材料的出現和發展提升了人類認識世界的層次

石墨烯材料的是人類在分子、原子層次的微觀層面改造了自然，實現了人類生產方式改造的質的飛躍，也標志著人類科學技術的發展注入了新的高度。同時深刻反映物質客觀存在的標志。石墨烯材料的進一步研究和開發，提升了人類認識世界的層次。

1.由量變到結構改變、再由結構改變到質變的跨越

石墨烯因其特殊結構和性能可以創造新的材料，主要通過改變微觀單分子層結構，改變材料的空間結構合成新材料。多種性能的石墨烯材料具有特殊的性能，這也是從微觀分子層到宏觀性能的改變，石墨烯材料的出現，標志著人類在改造自然方面進入了一個新的層次即說明由量變到結構改變、再由結構改變到質變的跨越。

2.改變了傳統的物質生產，引發生產方式的革命

石墨烯材料改變了傳統的物質生產方式，這種新材料引發了生產方式的革命。石墨烯材料的誕生是在微觀分子層的改造過程中創造新的物質，在原有的納米顆粒材料基礎上上發現碳石墨的單分子層即神奇的石墨烯。這也是人類改造自然，運用的是從微觀到宏觀，即“從小到大”或“簡單到復雜”的生產方式。由微觀到宏觀，從微觀石墨烯單分子層發現，到宏觀“生物傳感器、太陽能電池、超級電容器”等，都體現了通過微觀分子層逐個改變生產方式并實現人類對微觀層面物質的改造。

石墨烯材料的誕生和發展是人類改造自然力，改善人類與自然共存方式的提升。人類的人類的生存方式也將隨之從跟班上發生改變。

（二）材料產業和資源環境的關系

人類的生活離不開自然界的物質資源。材料是從環境中提取，其制備、生產、使用和廢棄的過程都是對自然界環境污染的過程。我們追尋可持續發展的生產生活方式，但是現實生活中大量的廢氣、廢水和工業廢棄物嚴重破壞了我們賴以生存的空間。社會的可持續發展要求我們不斷開發環保實用型材料。人類的生存需求與科學研究和技術發展息息相關。石墨烯新材料的誕生和發展正好適應了可持續發展這一需求。

材料和結構的討論中，通常要考慮兩者之間的關系。由于材料結構的性質與其結構相關，材料的本質便是結構。石墨烯材料與環境變化是內部因素和外部因素的關系。

材料的結構與物質性能相關，性能的體現直接關系材料的作用與環境保護的關系，前者是內因，后者是外因。環境友好的材料：例如石墨烯太陽能電池對于環境保護有積極、正面的作用。倘若是破壞環境的材料則對環境產生負面影響，例如眾所周知的“白色污染“，我們摒棄一次性消費用品。目前大料的材料釋放溫室氣體C02，CH4，NO，S02等氣體。這會造成酸雨的降落和全球變暖等負面效應。因此材料和環境之間是內因和外因的關系。

（三）石墨烯材料充實了辯證唯物主義的認識論和方法論

從唯物辯證法說，動物特別是人腦的結構的概念是非常復雜的，但畢竟是可知的，它提供了一個人類的新材料發展的無盡可能性。材料研發人員從仿生學角度來研發新的智能材料。認識論認為對物質的認識還必然受到主觀因素的制約，人們在探尋某一事物的復雜過程中，本身就是人類在社會中的實踐活動。這個實踐活動過程必然受到人為主觀因素的影響。例如我們已有的知識背景，理論舉出，以往的生活實踐經驗等。整個認識過程都伴隨了必然性和偶然性，主觀因素、客觀因素等多方面的影響。辯證唯物主義認識論肯定了機遇的存在性。機遇的存在具有客觀性，機遇的產生的客觀依據是偶然性和必然性的辯證統一。偶然性以必然性為基礎，必然性是通過偶然性來實現。所以當偶然性出現的時候，必須及時捕捉它，并且進一步挖掘其背后的必然性，分析兩者之間的區別和聯系，此時新物質、新科學發現就誕生了。例如石墨烯的發現是便是物理學家通過撕透明膠帶偶然發現的。

認識論是認知本質和發展的理論。認識的主體是人，是實踐著的人。認識客體是主體與之發生關系的東西，比如人類對于石墨烯的研究開發過程，石墨烯不僅是客觀實在，而是進入人類活動領域的并且預人類主體縣關聯的客觀對象。我們對石墨烯的改造過程本質就是人類主體對石墨烯課題的反應。人類能動的將石墨烯改造的過程，也是人類改善自己生活方式，不斷提升自身認識能力，形成正確認知的過程。這里，石墨烯材料科學工作者是認識的主體，而與之相關的環境材料及環境是認識的客體。材料研發人員通過材料和環境的客觀分析，思考材料與環境之間的關系以及通過仔細觀察和分析，從定性認識上升到得定量認識，從感性認識上升到理性認識。例如石墨烯幾乎是完全透明的，同時結構非常致密，就算是最小的氫原子都無法穿透，這些特殊的結構性質，恰好適合制備透明的觸摸屏和太陽能電池板。

科學的進步說明人類知識儲備的迅速增加。類似于石墨烯這樣的新材料的研究開發過程中，說明了人類可以通過多種研究方法思維模式改造生活中的客觀存在，人類不斷的構思、認知過程充實了辯證唯物主義的認識論和方法論。

（四）石墨烯材料是一種模仿中的創造

模仿是仿照，仿效，模擬，模仿中需要創造性，模仿過程是創造的研究過程。模仿的建立有賴于創造性的研究，化學模仿作為研究的結果，以一定的符號體系而存在，它具有直觀性，形象性，是人們的感官可以感知的，或者是人的思維可以把我的。然而，建立模型的過程，卻是一個艱苦的，充滿矛盾的思維過程。在此過程中，需要主體充分的發揮思維的創造性。

一般在建立模型的過程中，包含著猜測或猜想的因素。化學家依據已知理論，深入分析了事實。對要模仿的對象的結構和性質等方面提出某種設想，這中間就包含著猜測。這是建立模型中的重要一環。在猜測中，各種邏輯方法，比如：比較，類比，歸納，演繹，分析，綜合等，都會起一定作用。石墨烯材料的誕生即是在納米技術理論基礎上進行歸納猜測，并通過實踐后總結經驗產生的。猜測是以經驗事實為基礎的，從認識發展的過程來看，從最簡單，最典型的實例人手，突破一點，會使認識獲得廣泛發展。這種認識發展規律反過來作為進一步認識的指導線索，在研究過程中，要求善于選擇典型對象，從典型對象著手，開展工作，所謂典型對象，其一具有代表性，石墨烯是作為碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，具有一些奇特的物理特性，具有典型性是具有理論意義的對象，這是典型分析中選擇典型要考慮的一個重要因素。

（五）石墨烯材料的發展是化學認識中的繼承、積累、突破的革命

化學知識的積累從化學元素開始，包括基本元素的資料的發現和繼承過程，尤其是化學元素的性質等方面的資料，比如就是因為擁有最初碳元素到碳單質的研究資料的積累，才有石墨烯微觀結構及其特殊性質的應用開發的順利開展，化學元素到化學分子，再從化學結構到化學性質的研究都是化學認識中的繼承和創新。良好的研究方法和研究手段都是在不斷地發現和資料搜集積累過程中產生的。化學知識積累到一定階段，化學認知過程也會發生突破，從何科學知識達到質變化。

這就說明化學元素到化學分子的研究都是在大量資料積累的基礎上產生的，積累之后才會有所突破。化學知識積累是個循序漸進的工程，而化學突破恰恰是化學知識的飛躍。每一種新的突破就是一種創新，如石墨烯材料的發現發展中，石墨烯概念的確立，石墨烯制備方法層出不窮，石墨烯結構的改善及確立過程，這都具有重大影響的新物質，新現象，新規律，都是技術創新，都是化學發展的突破。往往化學知識的突破都是從最簡單最典型的對象開始的，有一個簡單突破點開始然后廣泛發展，這種化學認識的發展形勢充實了認識論和方法論。例子：石墨烯單分子層的發現常常是對簡單或最典型的對象進行研究開始的，化學理論和觀念的變革是破舊和創新的統一。這也是通過科學實驗獲取經驗事實，積累經驗事實，將理論與化學經驗事實密切地結合起來。進而對經驗事實進行分析，總結和概括，形成定律、假說或理論。從邏輯學觀點看，就是從某種理論出發，合乎邏輯地推論出新的認識，得出理論的解釋和預見功能并在邏輯學中演繹推理。

四、石墨烯材料應用前景

石墨烯具有獨特的二維結構和優異的物理化學性能，材料，電子，醫藥，催化劑載體等領域具有很大的發展和應用前景。充分展示其很高的科學和實用價值。在石墨烯的結構性能、制備，應用和理論研究仍面臨著籌備很大的挑戰，抓住機遇，迎接挑戰，從實驗和理論兩點出發，解決石墨烯增長機制和結構原理摻雜，宏觀性質調控，研究石墨烯薄膜、儲能材料、復合材料應用和技術難題。石墨烯對于人類生存，環境可持續發展具有重要意義，發展和完善石墨烯在國防，能源，航空航天，化工，機械微電子等領域是未來需要研究的重點。從辯證唯物主義觀點，新材料石墨烯的研究和發展與人類共存共榮發揮了重要作用，期待石墨烯在生產工藝中的改進，憧憬石墨烯材料未來發展的前景。