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现在，说到最火的新装备，大家会想到无人机，说到最火的新技术，大家会想到人工智能、3D打印，说到最火的新材料，那肯定就是石墨烯。到底石墨烯是“何方神圣”，根据已知的信息，石墨烯的厚度是头发丝的20万分之一，强度是钢的200倍，是世界上已知的最轻最薄、最强的材料。 目前已有公司宣称用石墨烯来做快速充电电池，只需20秒就可以给手机充满电。除了电池，还有公司用石墨烯做内衣、袜子等。那么，石墨烯到底是何方神圣？ 佛经云：“一花一世界”——对于科学来说，此言甚是不虚。一朵花，一滴水，甚至一粒尘埃中所蕴藏的奥秘，并不比我们目之所及的这个世界简单多少。如果细究下去，一朵花里，科学家可以看到其中蕴藏的有机材料与生命的基础——“碳”和碳构成的整个世界。 “碳”和碳家兄弟 各种碳材料的原子结构 碳，在空气中，是二氧化碳；在水中，是碳酸；在石灰岩里，是碳酸盐；在一朵花中，它是氨基酸、是DNA， 是糖、淀粉、纤维素……它是宇宙中丰度最高的元素之一，是地球上有机物与生命体的化学根本。碳是神奇的，与不同化学元素结合，便拥有了无数化身，造就了这整个的世界。 可是，碳又是平易近人的，古人书画中的松烟、油墨；冬日取暖的煤炭、木炭；清除异味、净化空气的活性炭；甚至美人项上的钻石，儿童手中的铅笔芯，都是碳！如果说，一朵花中存在的各种碳，是碳的化合物与聚合物，是碳的姻亲，那么，这些我们常见到的碳则是单质碳，也称碳的“同素异形体”，就好比是碳的嫡亲子女了。碳家的这些亲兄弟们，由于碳原子的排列或搭房子（构型）的方式不同，相貌性情可是大相径庭。 煤炭、木炭之类，碳原子的排列是无序的，所以称“无定形碳” 。相比之下，如金刚石（钻石）、石墨，则都是碳的结晶体，碳原子的排列规则有序，看着就令人喜爱，属于操场上着装列队都整齐划一的那一班孩子，深得老师喜爱。 可是这些乖娃娃又极具个性。比如，石墨是碳原子之间键合成六边形，形成平面结构，层层叠加而成。由于层间存在分子间的弱作用力（范德华力），所以各层间能轻易平行滑动，这也是为什么石墨可以做铅笔芯，书写时有顺滑流利之感。金刚石或钻石，则是碳原子以四面体状键合，形成的三维密铺网状结构，属立方晶系，密度比石墨要高出很多。因此，石墨是最柔软的物质之一，而钻石却是最坚硬的天然物质，工业上可以用于切割、冲钻、研磨等。 纳米世界里的“碳” 如果再深入到纳米世界，在我们迄今能用电子显微镜看到的尺度的尽头，等待着我们的碳家兄弟们，更是迷你可爱，各具风采。在这里，我们好奇的目光所及，是如同小足球样的富勒烯（足球烯）、如丝线般的碳纳米管和如薄翼般的石墨烯。尤其石墨烯发现之后，所谓“大道至简”，这些碳兄弟们，可以说都可以基于石墨烯构筑而成。石墨烯卷曲成管，就是碳纳米管；石墨烯适当剪裁，团成球，就是富勒烯；若石墨烯层层叠加，就是石墨。 石墨烯与其它碳材料的关系 那么，可能有人要发问了， 石墨烯究竟是啥玩意？ 石墨烯就是单层碳薄片，是单层碳原子构成的二维晶体。而这一薄层的厚度，就是一个碳原子的厚度。一个碳原子，直径只有0.335纳米。要知道，一纳米是一米的十亿分之一，相当于人类头发直径的万分之一。一毫米的石墨里，就含有300多万层石墨烯！与石墨烯这样的厚度相比，“薄如蝉翼”算得了什么呢！ 到了这样的尺度，石墨烯便不再象它在宏观世界里的兄弟石墨那般柔软并闪着深灰色的金属光泽了。它对可见光的吸收率只有2.3%，已经完全透明。它轻如无物，如果能把石墨烯做成一平方米的网，这网的质量不足1毫克。但它又强韧无比，就这1毫克，足以承重1公斤的猫。它极其致密，连最小的气体分子氦气都不能透过。与最好的钢材比，它的强度高出200多倍。它还能舒展自如，可以具有相对自身尺寸的20%的延展率。它的导电性超出我们所了解的电阻率最低的银，导热性能也约高于室温下铜的10倍。 这样一种奇异的材料，如同在我们身边沉睡了千万年的睡美人，直到2004年，方显露真容，为人们所认识。而她的发现，实在令人莞尔。竟是用“撕胶带法”：将石墨片在普普通通的3M胶带上反复层层黏附剥离，最终获得石墨烯，并在电子显微镜下窥得芳容。用类似的方法，你甚至还可以从铅笔的笔芯中得到石墨烯的碎片，纸上一道浅浅的铅笔印迹里，其实就是层层石墨烯的叠加。所谓“如窥汉女妆”，也正如看到一位真正神秘莫测的美人那样，石墨烯的发现着实震撼了学术界。在此之前，大多数物理学家认为，任何完美的二维晶体都无法在非绝对零度（绝对零度指-273.15度）中稳定存在。但是，作为二维晶体形态的单层石墨烯就这样在常温的实验中被制备出来了！ 正是由于在2004年成功分离并证明石墨烯的稳定存在，进而发现它的量子霍尔效应（见下文），曼彻斯特大学的两位科学家，安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov），于2010年荣获了诺贝尔物理学奖！ 量子霍尔效应指约束电子的乱跑乱窜，使其乖乖排排队，限制在一侧流动，从而避免电流在传输中存在的能量损耗现象。这意味着如果石墨烯用于大型计算机，可以使大型计算机变得象iPad大小，使 ipad容量达到几T甚至几十T。于是，仿佛一扇新的大门被打开，使人们看见了一个可能企及的令人目眩神迷的未来世界，随之而来的这些年里，对石墨烯的基础探究和应用研究，呈指数增长。作为一类最新型的纳米碳材料，她的神奇，深深吸引了众人的目光，也同时更激发出人们无限的想象和创造力。甚至连2015年主席去英国进行国事访问，还专门有一程曼彻斯特大学石墨烯研究所的参观访问，华为也随后与该研究所签署了石墨烯项目合作协议。 石墨烯的应用能够带给我们怎样的惊喜？ 人们对石墨烯如此充满期待，除了它可望用于制造超微型晶体管，应用于超级计算机，能比现行的基于硅材料制成的芯片运行速度快数百倍、且具有超大容量之外，基于石墨烯的各种特性，从应用上，它还可望用于电子产品，做成柔韧可弯折的透明的触摸显示屏，或穿戴设备。
石墨烯作为功能性的添加剂，可以用于超级电容器、锂电池，应用于航空航天及电动汽车，满足快充、长程续航的要求。可以用于复合材料、防腐涂料，获得更好的强度、韧性和防腐性能。也可能用于储能、发光板、太阳能电池板等等。
在环保、节能、通讯、医学等领域，也让人充满了想象和期待。如果能够实现石墨烯大规模的制造和应用，那么，石墨烯确实会在许多方面改变我们的生活。
前途很光明，但现实差强人意 前途光明，道路曲折 但是，从来“前途是光明的，道路是曲折的”。石墨烯恰恰是在大规模的制造和应用方面面临着实际的困难。 一方面是石墨烯的制造问题。从工业化角度，要取得能实际应用的石墨烯，通过“撕胶带法”，显然是痴人说梦。目前为止，人们确实已经开发出不同的生产石墨烯的方法。如化学气相沉积法（CDV）， 化学氧化还原法（GO/rGO），液相剥离法（LPE）、微机械剥离法等。但是这些方法，在规模化程度、生产成本、工艺要求、石墨烯产品的得率、纯度、结构的完整性等各方面，都不是完美的。石墨烯在理论上展现的奇异特性，都是基于它在纳米尺度上完美的二维晶体形态，任何边缘或内部结构点的缺陷、层厚的叠增都将使它的应用性能大打折扣，甚至毫无应用价值。
石墨烯的制备方法及比较 另一方面，是石墨烯在应用上的问题。主要是指它添加到各种配方中，如何在基体材料中做到稳定、均匀分散。对于纳米材料，即使是层数在3-10层之间的少层石墨烯，超大的比表面积（单位质量物体的表面积），本质上对应的是超高的能量体系，纳米粒子间的相互作用力，使3~5%的浓度的石墨烯浆料已经凝固如果冻一样。石墨烯粉体也好，浆料也好，加入基体树脂中，如何均匀分散，避免石墨烯因为团聚而回叠至石墨状态，以及如何在生产中具有批次间的稳定性，都是瓶颈问题。 目前我们所了解到的，国内已有号称100吨级、500吨级、甚至1000吨级的石墨烯粉体或浆料的生产线，但估计大部分仍属于相对低级、廉价的氧化石墨烯纳米颗粒或少层石墨烯。主要作为添加剂应用于重防腐涂料，或作为导电剂应用于锂电池、动力电池等。近两年，也有高纯度石墨烯（薄膜）的量产信息发布，但是，依赖于这类石墨烯的更多产品的开发，依然需要人们平心静气地耐心等待。 |
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