关于石墨烯材料的哲学思考

韩露

[摘要]近年来因石墨烯其独特的结构及优异的性能已成为研究的热点。本文主要介绍了石墨烯力学性能、电学性能、导热性能等特点并列举了石墨烯在薄膜、传感器、超级电容器、储能等各方面的实际应用，从唯物辩证法的角度来分析了石墨烯材料的研究和开发过程在人与自然共存中的重要作用。

[关键词]石墨烯；认识论；辨证法

一、前言

人们说的石墨烯是将石墨片剥成单层之后，这是基于碳石墨的原子层间作用力很弱，较容易互相剥离。这种由一层以蜂窝状排列的碳原子结构的单层就是石墨烯。20世纪初，科学家们开始研究石墨烯，2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·杰姆和他的学生克斯特亚·诺沃消洛夫用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。它们将石墨剥离成石墨片，然后将石墨片的两面分别用特殊的胶带进行粘贴，随后撕开胶带，又再次把石墨片一分为二，重复该操作，于是得到越来越薄的薄片，幸运地最后得到仅有一层碳原子厚度的石墨薄片。这种只有一层原子厚度的二维晶体就是石墨烯。

2010年，研创新究石墨烯的两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。媒体渲染报道称“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。”使用胶带剥离方法分离高定向的石墨，并因此获得了真正存在独立的二维石墨晶体。在此之后，制备石墨烯的新方法不断涌现，我们发现将石墨烯引入工业化生产将成为将来趋势。

二、石墨

石墨烯是一种新的紧密型型碳原子的碳质材料，具有立体蜂窝状晶格结构，同时它具有独特的物理特性，其中包括：特有的载流子特性，这使得电子在石墨烯传输过程产生较小的阻力，因而具有优良的电子传输性质。石墨烯的力学性强，导电性能优，韧性好等。

（一）石墨烯的性质

石墨烯其特有的微观分子结构决定了它特殊的物理化学性质。石墨烯是二维晶体，最大的特点是电子在石墨烯的速度可达光速1/300，远远超过在其他导体中的电子速度。石墨烯具有优异的力学，光学和电学性能：结构十分稳定，目前研究结果尚未发现石墨烯碳原子缺失，碳原子之间的连接柔和并且坚韧，超过世界金刚石硬强度；石墨烯几乎是完全透明的，但非常紧凑，气密强，不易透水，甚至最小尺寸氦原子大小都可不以穿透；良好的导电性，石墨烯的导电性强，其导电材料远超过传统的导电材料。

1.力学性能：由于石墨烯分子结构中碳原子是sp2杂化结构。特殊的分子结构决定石墨烯具有高强度。石墨烯是目前人类已知的强度最高，比钻石更硬的材料。

2.导电性能：石墨烯结构非常稳定，到目前为止，还没有发现在石墨碳原子的这种晶格结构缺乏稳定性，石墨烯赋予优异的导电性。

3.导热率：稳定的石墨烯晶格结构给出优异的导热性，石墨烯热导率强于传统碳纳米管和金刚石。

4.化学性质：石墨烯是单层的石墨结构，因此石墨烯可以看作表面因而具有一层石墨属性的化学性质，石墨烯卷曲在一起，从而形成碳纳米管，石墨烯也具有碳纳米管相似的化学性质。同时石墨烯到近红外，可见光和紫外线具有优异的穿透性。

（二）石墨烯的性质应用

石墨烯独特的结构和优异的性能使科学界产生了巨大波澜，成为国内外研究的热点，尤其石墨烯具有纳米尺寸的晶体管们将成为“后硅时代”最具潜力材料。石墨烯将成为以后高速晶体管、生物传感器、太阳能电池、超级电容器和触摸面板的核心材料。

1.石墨烯薄膜

将石墨烯片重新组装，在电子，电气，信息，能源，光学等领域应用广泛，这也是石墨烯在生活中最接近实际应用的方向。因为其高透光性和导电性的，石墨烯片是最有前途的新的透明导电膜，可以作为显示器中透明电极，使用新的透明导电膜和背电极材料的太阳能电池应用广泛。同时因石墨烯薄膜还有较为良好的柔韧性，石墨烯成为制备性透明导电膜材料的首选。

2.储能材料

高能量密度和高功率密度是当前的能量储存装置的一个重要发展方向，电极材料的选择是关键。碳纳米材料的能量存储装置的属性，因为该独特的结构和优异的性能，使其高性能能量存储装置提供了一个理想的电极材料。相比碳纳米管，石墨不仅具有良好的导电性和化学稳定性，并且具有较大的表面积，该空间是更灵活的特性。因此，基于石墨烯的电极材料，优异的电化学特性，使石墨烯制成比碳纳米管更实用的超级电容器。

3.纳米生物传感器

高灵敏度的生物传感器是由石墨烯纳米粒子抗体的还原石墨烯而制备成功的，这是由于石墨烯制备的传感器灵敏度很高。同时石墨烯电导率传感器可快速猝灭荧光染料，因此它也可以作为荧光传感器制备材料。新型石墨烯传感器优于常规的碳基材料的传感器。

4.“太空梯”缆线

石墨烯在其他方面的优异性能体现在可以制备被出纸片薄度的超轻性材料，制造超轻型飞机。同时也创造了强硬防弹衣。石墨烯具有非常良好的力性。人们希望穿梭于太空，建造“太空电梯”。石墨烯材料因其比表面积大，韧性强，成为“太空梯”缆线材料首选。石墨烯也可以用作药物载体，为药物研发提供较好的平台。

三、关于石墨烯材料的哲学价值

石墨烯材料出现，是人类认识世界和改造世界的重大突破，說明在人与自然共存的环境中，人类认知能力提升到了一个新的水平。石墨烯材料技术引发认知革命，石墨烯材料的诞生，不仅提高人类认知世界的层次，同时也提升了人类在微观和宏观世界认知水平。石墨烯材料是对大自然物质发现和改造的过程，以体现了人类科学技术改善在生产和生活中质的飞跃，也标志着人类科学技术的发展迈向新的空间。石墨烯材料的诞生标志着物质能被反映的客观实在，石墨烯材料的研究，进一步说明了物质的客观实在性，并且客观实在是被人们所反映的哲学原理。

（一）石墨烯材料的出现和发展提升了人类认识世界的层次

石墨烯材料的是人类在分子、原子层次的微观层面改造了自然，实现了人类生产方式改造的质的飞跃，也标志着人类科学技术的发展注入了新的高度。同时深刻反映物质客观存在的标志。石墨烯材料的进一步研究和开发，提升了人类认识世界的层次。

1.由量变到结构改变、再由结构改变到质变的跨越

石墨烯因其特殊结构和性能可以创造新的材料，主要通过改变微观单分子层结构，改变材料的空间结构合成新材料。多种性能的石墨烯材料具有特殊的性能，这也是从微观分子层到宏觀性能的改变，石墨烯材料的出现，标志着人类在改造自然方面进入了一个新的层次即说明由量变到结构改变、再由结构改变到质变的跨越。

2.改变了传统的物质生产，引发生产方式的革命

石墨烯材料改变了传统的物质生产方式，这种新材料引发了生产方式的革命。石墨烯材料的诞生是在微观分子层的改造过程中创造新的物质，在原有的纳米颗粒材料基础上上发现碳石墨的单分子层即神奇的石墨烯。这也是人类改造自然，运用的是从微观到宏观，即“从小到大”或“简单到复杂”的生产方式。由微观到宏观，从微观石墨烯单分子层发现，到宏观“生物传感器、太阳能电池、超级电容器”等，都体现了通过微观分子层逐个改变生产方式并实现人类对微观层面物质的改造。

石墨烯材料的诞生和发展是人类改造自然力，改善人类与自然共存方式的提升。人类的人类的生存方式也将随之从跟班上发生改变。

（二）材料产业和资源环境的关系

人类的生活离不开自然界的物质资源。材料是从环境中提取，其制备、生产、使用和废弃的过程都是对自然界环境污染的过程。我们追寻可持续发展的生产生活方式，但是现实生活中大量的废气、废水和工业废弃物严重破坏了我们赖以生存的空间。社会的可持续发展要求我们不断开发环保实用型材料。人类的生存需求与科学研究和技术发展息息相关。石墨烯新材料的诞生和发展正好适应了可持续发展这一需求。

材料和结构的讨论中，通常要考虑两者之间的关系。由于材料结构的性质与其结构相关，材料的本质便是结构。石墨烯材料与环境变化是内部因素和外部因素的关系。

材料的结构与物质性能相关，性能的体现直接关系材料的作用与环境保护的关系，前者是内因，后者是外因。环境友好的材料：例如石墨烯太阳能电池对于环境保护有积极、正面的作用。倘若是破坏环境的材料则对环境产生负面影响，例如众所周知的“白色污染“，我们摒弃一次性消费用品。目前大料的材料释放温室气体C02，CH4，NO，S02等气体。这会造成酸雨的降落和全球变暖等负面效应。因此材料和环境之间是内因和外因的关系。

（三）石墨烯材料充实了辩证唯物主义的认识论和方法论

从唯物辩证法说，动物特别是人脑的结构的概念是非常复杂的，但毕竟是可知的，它提供了一个人类的新材料发展的无尽可能性。材料研发人员从仿生学角度来研发新的智能材料。认识论认为对物质的认识还必然受到主观因素的制约，人们在探寻某一事物的复杂过程中，本身就是人类在社会中的实践活动。这个实践活动过程必然受到人为主观因素的影响。例如我们已有的知识背景，理论举出，以往的生活实践经验等。整个认识过程都伴随了必然性和偶然性，主观因素、客观因素等多方面的影响。辩证唯物主义认识论肯定了机遇的存在性。机遇的存在具有客观性，机遇的产生的客观依据是偶然性和必然性的辩证统一。偶然性以必然性为基础，必然性是通过偶然性来实现。所以当偶然性出现的时候，必须及时捕捉它，并且进一步挖掘其背后的必然性，分析两者之间的区别和联系，此时新物质、新科学发现就诞生了。例如石墨烯的发现是便是物理学家通过撕透明胶带偶然发现的。

认识论是认知本质和发展的理论。认识的主体是人，是实践着的人。认识客体是主体与之发生关系的东西，比如人类对于石墨烯的研究开发过程，石墨烯不仅是客观实在，而是进入人类活动领域的并且预人类主体县关联的客观对象。我们对石墨烯的改造过程本质就是人类主体对石墨烯课题的反应。人类能动的将石墨烯改造的过程，也是人类改善自己生活方式，不断提升自身认识能力，形成正确认知的过程。这里，石墨烯材料科学工作者是认识的主体，而与之相关的环境材料及环境是认识的客体。材料研发人员通过材料和环境的客观分析，思考材料与环境之间的关系以及通过仔细观察和分析，从定性认识上升到得定量认识，从感性认识上升到理性认识。例如石墨烯几乎是完全透明的，同时结构非常致密，就算是最小的氢原子都无法穿透，这些特殊的结构性质，恰好适合制备透明的触摸屏和太阳能电池板。

科学的进步说明人类知识储备的迅速增加。类似于石墨烯这样的新材料的研究开发过程中，说明了人类可以通过多种研究方法思维模式改造生活中的客观存在，人类不断的构思、认知过程充实了辩证唯物主义的认识论和方法论。

（四）石墨烯材料是一种模仿中的创造

模仿是仿照，仿效，模拟，模仿中需要创造性，模仿过程是创造的研究过程。模仿的建立有赖于创造性的研究，化学模仿作为研究的结果，以一定的符号体系而存在，它具有直观性，形象性，是人们的感官可以感知的，或者是人的思维可以把我的。然而，建立模型的过程，却是一个艰苦的，充满矛盾的思维过程。在此过程中，需要主体充分的发挥思维的创造性。

一般在建立模型的过程中，包含着猜测或猜想的因素。化学家依据已知理论，深入分析了事实。对要模仿的对象的结构和性质等方面提出某种设想，这中间就包含着猜测。这是建立模型中的重要一环。在猜测中，各种逻辑方法，比如：比较，类比，归纳，演绎，分析，综合等，都会起一定作用。石墨烯材料的诞生即是在纳米技术理论基础上进行归纳猜测，并通过实践后总结经验产生的。猜测是以经验事实为基础的，从认识发展的过程来看，从最简单，最典型的实例人手，突破一点，会使认识获得广泛发展。这种认识发展规律反过来作为进一步认识的指导线索，在研究过程中，要求善于选择典型对象，从典型对象着手，开展工作，所谓典型对象，其一具有代表性，石墨烯是作为碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有一些奇特的物理特性，具有典型性是具有理论意义的对象，这是典型分析中选择典型要考虑的一个重要因素。

（五）石墨烯材料的发展是化学认识中的继承、积累、突破的革命

化学知识的积累从化学元素开始，包括基本元素的资料的发现和继承过程，尤其是化学元素的性质等方面的资料，比如就是因为拥有最初碳元素到碳单质的研究资料的积累，才有石墨烯微观结构及其特殊性质的应用开发的顺利开展，化学元素到化学分子，再从化学结构到化学性质的研究都是化学认识中的继承和创新。良好的研究方法和研究手段都是在不断地发现和资料搜集积累过程中产生的。化学知识积累到一定阶段，化学认知过程也会发生突破，从何科学知识达到质变化。

这就说明化学元素到化学分子的研究都是在大量资料积累的基础上产生的，积累之后才会有所突破。化学知识积累是个循序渐进的工程，而化学突破恰恰是化学知识的飞跃。每一种新的突破就是一种创新，如石墨烯材料的发现发展中，石墨烯概念的确立，石墨烯制备方法层出不穷，石墨烯结构的改善及确立过程，这都具有重大影响的新物质，新现象，新规律，都是技术创新，都是化学发展的突破。往往化学知识的突破都是从最简单最典型的对象开始的，有一个简单突破点开始然后广泛发展，这种化学认识的发展形势充实了认识论和方法论。例子：石墨烯单分子层的发现常常是对简单或最典型的对象进行研究开始的，化学理论和观念的变革是破旧和创新的统一。这也是通过科学实验获取经验事实，积累经验事实，将理论与化学经验事实密切地结合起来。进而对经验事实进行分析，总结和概括，形成定律、假说或理论。从逻辑学观点看，就是从某种理论出发，合乎逻辑地推论出新的认识，得出理论的解释和预见功能并在逻辑学中演绎推理。

四、石墨烯材料应用前景

石墨烯具有独特的二维结构和优异的物理化学性能，材料，电子，医药，催化剂载体等领域具有很大的发展和应用前景。充分展示其很高的科学和实用价值。在石墨烯的结构性能、制备，应用和理论研究仍面临着筹备很大的挑战，抓住机遇，迎接挑战，从实验和理论两点出发，解决石墨烯增长机制和结构原理掺杂，宏观性质调控，研究石墨烯薄膜、储能材料、复合材料应用和技术难题。石墨烯对于人类生存，环境可持续发展具有重要意義，发展和完善石墨烯在国防，能源，航空航天，化工，机械微电子等领域是未来需要研究的重点。从辩证唯物主义观点，新材料石墨烯的研究和发展与人类共存共荣发挥了重要作用，期待石墨烯在生产工艺中的改进，憧憬石墨烯材料未来发展的前景。