新材料家族里的“高帅富”

刘霞

出门前用5秒钟给手机充满电，一次充电就可以用半个月，这听起来是不是很炫很酷？超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、超级锂电池、太空电梯等，是不是更让你惊掉下巴？

其实，这并非科幻小说中的场景，而是可以实现的，“幕后功臣”就是现在声名煊赫的石墨烯，它被誉为“21世纪的神奇材料”。

石墨烯为“何方神圣”

石墨烯结构一直被认为是理论模型，难以单独稳定存在，直到2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过简单的“机械剥离法”，利用“胶带”从石墨表面“撕”出了单层的碳材料——石墨烯，证实了它可以单独存在。

这两位科学家也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，摘得了2010年诺贝尔物理学奖的桂冠。

石墨烯是单原子层的二维晶体材料，是人们发现的第一种由单层原子构成的材料，也是结构最为简单的碳材料。铅笔里用的石墨可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因此，石墨烯也被视作“单层石墨”。

石墨烯是目前已知的世界上最薄、最强、导热性最好且拥有强大柔韧性的纳米材料：它可以薄到只有一个碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剥离出300万片石墨烯；它的强度比钢还要高100倍；它也有优异的导电性；还具有在可见光下透明但不透气等特殊的性质。

由于身怀诸多“绝技”，“出世”仅10多年的石墨烯已引无数科学家竞折腰，不愧为新材料家族的“高帅富”。它可用来制造透明触摸屏、超灵敏的传感器、电池、发光二极管（LED）等；还可用来制造防弹衣、航空航天材料；并有可能成为硅的替代品，在半导体领域“大显身手”。

飞入寻常百姓家

柔性显示屏

智能手机厂商和可穿戴设备厂商一致认为并坚信，可折叠弯曲的柔性显示屏技术，将来会彻底革新手机领域和可穿戴领域。因此，他们都在大力推行柔性显示屏技术的研发工作，石墨烯由于其得天独厚的柔韧性而成为一种理想的候选材料。

2014年9月，英国剑桥大学石墨中心和英国塑料逻辑公司（Plastic Logic）联合研制出了柔性石墨烯显示屏原型，这是石墨烯首次应用于基于晶体管的柔性电子设备上。这种技术未来的发展可能还包括液晶显示屏（LCD）和有机发光二极管（OLED）技术，提供全彩色功能，并支持所需的高速刷新率。

更合身的可穿戴产品

可穿戴设备作为目前科技产品中最炙手可热的“宠儿”，受到各路人士的追捧，但目前市面上大多数可穿戴设备的屏幕依然是平面型的，和我们的身体不能很好地贴合。

石墨烯具有很好的柔韧性、很高的强度，这让它既适用于手腕上的触控，也增强了屏幕的抗损能力。柔性电池也让智能穿戴设备成为更贴身舒适的标配。因此，石墨烯在智能可穿戴设备领域潜力很大。

让我们打开思维的翅膀想象一下：1年以上的续航能力、可根据手腕粗细调节弧度的柔性弯曲屏，加上照顾你身体各种机能的健康APP应用，由石墨烯研制的产品将成为你的“贴身管家”，让你享受更加健康美好的生活。

新能源电池

目前，在市场上，以特斯拉为代表的电动车已成为爱车人士眼中的“香饽饽”，但电池是高性能电动汽车最为昂贵的部分。而且，智能手机、相机、游戏机等也都需要大量的锂电池。

由于石墨烯极高的比表面积（指单位质量物料所具有的总面积），因此化学反应速度和材料利用率更高，而且，石墨烯极佳的导电和导热性能也有利于锂离子的扩散传输，使锂离子可以在石墨烯表面和电极之间快速大量地穿梭运动，借此特性研制出的石墨烯锂电池，能将几小时的充电时间缩短为几分钟。

据西班牙《世界报》2014年报道，西班牙Graphenano公司同科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的3倍。用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000千米，而其充电时间不到8分钟。而且，这种电池的使用寿命是传统氢化电池的4倍、锂电池的2倍。另外，因石墨烯天生轻盈，此电池的重量仅为传统电池的一半，使装载该电池的汽车更加轻量化，进而提高了汽车的燃油效率。

虽然这款电池优点多多，但并不“傲娇”，Graphenano公司相关负责人称，此电池的成本将比传统锂电池低77%，完全在消费者承受范围之内。

另外韩国财经杂志《Business Korea》网络版刊文称，三星研究团队开发了一项技术，通过在硅表面覆盖石墨烯制作出了一种新的“硅阴极材料”，制作出的新型电池能提供1.8倍于现今锂电池的能量密度，而且200次充放电之后，还能维持1.5倍的能量密度，同时保持了其尺寸、体积和安全性。这款电池不仅可用于智能手机和平板电脑，还能使电动汽车一次充电行驶更远的距离。

有鉴于此，很多人认为，石墨烯会是拯救锂电池的“法宝”。但石墨烯电池的研发成本较高，目前很难普及。如果在不久的将来，这类新产品能实现量产，那么，电池的发展将翻开新的篇章。

半导体材料

由于电子和原子的碰撞，传统半导体和导体会以热的形式消耗大量能量，导致目前电脑芯片以此方式浪费了约80%的电能，使硅芯片的速度很难继续提高。另外，硅的极限是7纳米，现已接近临界点。而石墨烯的电子能量几乎不损耗，且电阻率极低，电子迁移速度比硅材料快10倍，因此或可被用来研制更纤薄、速度更快的新一代电子元件或晶体管，具有颠覆硅时代的潜力，承载着未来变革产业的希望。

比如在芯片领域，早在2011年6月，IBM沃森研究中心的科学家表示，他们成功研制出了全球首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向开发石墨烯计算机芯片前进了一大步，这一成果也被评为了2011年全球十大科学新闻之一。科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片代替硅晶片。而且，这块集成电路还可以运行得更快，届时，由这类集成电路制成的芯片可以改进手机和无线电收发两用机的信号，未来，手机或许能在一般认为无法接收信号的地方工作。

2014年10月，IBM研究人员发现石墨烯材料能大幅降低蓝光LED成本，这种技术有望催生高频晶体管、光探测器、生物传感器以及其他“后硅时代”组件。

2014年12月，IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯场效晶体管（FET），可在26GHz频率下运作。研究人员预测，碳元素更高的电子迁移率，可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫领域。

鉴于石墨烯在半导体领域的巨大潜能，IBM公司计划在未来5年内投入30亿美元研究下一代芯片技术。他们希望能借此研发出速度更快的芯片，实现更快的计算能力，推动人工智能和更强大的认知计算的发展，使计算机系统最终实现类似人脑的效率、尺寸和能耗。

知识链接

微处理器

一颗微处理器就是由采用不同材料制成的许多“层”堆叠起来的电路，里面包含了晶体管、电阻器、以及电容器等微小元件。它是一种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件。微处理器是微型计算机的中央处理器，其本身并不等于微型计算机。

晶体管

一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流，它利用电讯号来控制自身的开合，开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

两只“拦路虎”

尽管石墨烯优点多多、潜能大，但在其叱咤风云的道路上，仍有一些“拦路虎”需要解决。首先，工业生产中没有成熟的技术可用于大规模生产具有特殊性能的石墨烯；其次，用于硅基处理的传统固态技术不适用于高分子材料石墨烯的加工。

但科学家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的勇士，在这群“武松”面前，一切真老虎也都变成了“纸老虎”。

据媒体报道，2014年4月，三星宣布，三星先进技术研究所（SAIT）与韩国成均馆大学合作开发出一种新合成方法，可大面积制备应用于半导体的晶圆级单晶石墨烯。而且，用该方法制备的石墨烯单晶具有优异的电性能和机械性能。该研究所负责人说：“我们预计这一发现将加速石墨烯的商业化，并可能开创消费电子技术的新时代。”

另外，西班牙AIMEN技术研究中心的研究人员于2015年8月10日在《应用物理快报》上发表论文，介绍了使用超高速激光加工石墨烯材料的新技术。在这项研究中，科学家们通过短激光脉冲，诱导石墨烯的化学晶格发生了变化。单个激光脉冲的持续时间仅有几秒，石墨烯中的极性分子会像水波那样产生一个持续的振荡。在振荡过程中，可通过切割石墨烯晶体，把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。如此一来，大量的石墨烯可在高速度、高精度条件下被裁减，为石墨烯的广泛应用开辟了新的途径。

俗话说，皇帝的女儿不愁嫁，高帅富当然也不乏大把人追。中、美、欧盟等主要国家和地区均高度重视石墨烯的研究和开发，期待它能带来巨大的市场价值和技术变革。

21世纪的神奇材料“石墨烯”，承载了人们对未来生活的诸多美好想象。未来10年这些想象可能就会变成现实，让我们拭目以待吧！