文/记者 李鹏 编辑/陈永杰 新媒体编辑/吕冰心 【专家简介】  北京石墨烯技术研究院首席技术专家  它的强大能力常常令人咋舌。一块用它制成的一厘米厚板材，能够让一头5吨重的成年大象稳稳站在上面；用它做的手机电池，一秒内就能把电充满；以它为材料的平板电脑，可以随意折叠成手机大小放在口袋里。这种神奇的材料就是石墨烯。 日前，北京石墨烯技术研究院首席技术专家李炯利博士在首都科学讲堂为公众进行了一次科普讲座。本文将最受大家欢迎和关注的一些问题整理出来，分享给读者。 石墨烯被称为'材料之王'石墨烯被称为'材料之王'是由于其一系列特性决定的。石墨烯是一种由碳原子组成的六角形二维碳纳米材料。它的优势基于它以下几个优点：首先它的厚度是目前最薄的，然后是强度最高，透光最好，导电最好，导热也是最好的。 跟我们生活中遇到的一些材料对比，就能感受到石墨烯的一些优势，比方说它的厚度仅有0.34纳米，1克单层的石墨烯展开就可以达到2630平方米。如果和我们打印使用的A4纸比较，那么单层的石墨烯厚度仅仅是相当于纸厚度的一百万分之一。  ▲电子显微镜观测下的石墨烯单层碳原子结构（图片来自网络） 石墨烯的强度硬度甚至超过了钻石，几乎是优质钢材的一百倍。玻璃的透光率可能才只有89%，而石墨烯的透光率可以达到97.7%，所以肉眼下它几乎是透明的。在导电导热方面，目前也还没有材料可以超过石墨烯。 正是因为石墨烯有这么多优异性能，现在包括美国、欧盟等都把石墨烯列为非常重要的一个前沿材料，美国军方甚至把石墨烯列为影响未来军事装备的九大科技之一。在欧盟，欧洲科学家也把石墨烯列为影响未来科技的六大科技之一，并且把它排在了第二位。  ▲石墨烯是一种由碳原子组成的六角形二维碳纳米材料（图片来自网络） 这些年石墨烯基础研究和相关产业在中国发展也很快，中国不仅形成了比较雄厚的石墨烯基础研究和应用研究的研发力量，一些显现出石墨烯优异性能的产品也在不断问世。 当前，我国还需要在研究中深入挖掘，解决石墨烯材料基础研究和产业发展的一些关键性难题，将中国发展成一个石墨烯研发的强国。 石墨烯离我们并不远石墨烯对人类至关重要，尽管石墨烯从发现到现在也只有十多年的时间，但是其在基础研究和产业发展方面都很快，这些年也取得了一系列重大突破，一些产品也已经应用到工业或者一些人的生活中。现在我们也正在针对石墨烯的具体应用于不同领域来一一展开研究，不管是在民用工业、国防还是我们的日常生活上，它都会有很好的发展前景，未来也会与我们的生活息息相关，它在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等多个方面都具有广阔的应用前景。 研究发现，石墨烯加入到导体电缆材料之后，可以使它的导电性在原有的基础上提高5%到10%，大家不要小看这5%到10%的一个提升效果，像我们现在的西电东送工程，输电网络建设的时候都是成千上万公里。 如果说能提升5%，上万公里积累下来，降低能耗的效果就会非常明显。  ▲石墨烯的特殊结构（图片来自网络） 在高铁中，接触线是用来构架高速铁路接触网的，由铜及其他合金共同构造而成，其号称是车的大动脉，因此保持优异的性能至关重要，它的性能也关系着高铁的运行速度。通过石墨烯高强度高导电性，在铜接触线里面进行添加，就可以满足下一代时速400公里高铁的需求。 我们国家正在开发时速600公里的磁悬浮列车，现在动车、高铁速度分别是200多、300多公里，飞机速度可以达到900多、1000多公里，它们中间正好有一个时速600公里的市场，磁悬浮列车做出来之后，就可以给大家多一个出行的选择，你可以选择动车高铁，你也可以选择磁悬浮列车或者飞机，这样就会方便更多的人群。  ▲石墨原材料（供图 李炯利） 高速磁悬浮列车需要具有高导电性的超导线圈。自从2004年发现以来，研究人员怀疑石墨烯可能也有能力成为超导体，意味着它可以让电子来回快速穿梭，而根本没有任何电阻。 尽管现在人类已经使用超导材料来产生磁悬浮列车所需要的强大磁场，但成本高昂，这也是这些年磁悬浮列车交通方式饱受争议的重要原因之一。 这几年，剑桥大学的研究人员已经在石墨烯的超导性研究上取得了突破，如果我国在这个领域取得突破并应用在高速磁悬浮列车上，600公里的列车时速可能就不再是一个梦想。 石墨烯的高导电性，还有它高的电子迁移特性，会加速离子、电子在电池中的迁移，实现电池的快速充放，并提高电池的能量密度。 在未来几年，我们的手机充电或者是新能源汽车充电，可能充放电时间会缩短到现在的1/10。基于石墨烯的高透光性和高导电性，加上石墨烯本身的柔韧性比较好，我们可以开发柔性显示电子产品，它们能够折叠，可以是手机、Pad，可以是另外一种形态的报纸。另外，一些可穿戴和折叠的电子机械上也可以使用这种柔性屏。  ▲石墨烯粉体的分散液（供图 李炯利） 防静电在纺织与服饰行业是至关重要的，大家都有过这样的生活经历，比如在冬天穿干燥的衣物尤其是一些化纤的衣服，当我们脱衣服时，经常就会听到或者看到放电的场景，这其实跟我们穿的衣服导电性比较差有关，石墨烯具有很好的防静电效应。 纺织品添加石墨烯之后，就可以大大地降低纤维织物的电阻率，从而可以耗散掉静电，这样大家穿衣服脱衣服就不会产生静电现象。更多时候消除静电不仅仅是避免这些不便，还可大大降低我们的生产安全风险，因为如果衣服上带有静电，往往就会在金属粉末或者其它粉尘高的地方引发爆炸，如加油站、面粉厂、纺织厂等，均需要有专门的抗静电防护处理，石墨烯抗静电产品在这些领域有潜在的应用前景。 石墨烯具有还特别独特的性质，在油跟水之间，它是只吸油而不吸水。石墨烯的这种特性可以帮助我们实现油水分离。现在海上油轮泄漏，污染非常大，众多生物也深受其害，但是却难以解决。未来成本合适了，可以将石墨烯材料撒到海上，就可以很好地解决污染问题。 石墨烯在生物传感器上的应用石墨烯纳米生物传感器是我们非常看重或者是未来应用很广的一种医疗器械。采用最先进的免疫检测医疗技术，它可以识别我们血液、尿液或者汗液中的一些物质，比方说某种蛋白、某种肽、某种病毒或者其他化学物质，如果有它们的存在，这种传感器马上将生物信号转化为电信号，并被仪器监测设备监测到，这有助于我们快速获得检查结果。  ▲石墨烯在生物传感器上的应用广泛（图片来自网络） 我们很多人都有在医院看病的经历，先得预约挂号，在检查完以后医生也许会告诉你在两天以后或者一个星期以后再来拿结果。但是有了这种传感器，就可以迅速拿到结果。它甚至还能够像家庭医生一样帮我们快速得到结果，我们在得到结果以后，再远程反馈给医生，就可以得到非常好的在线诊断。 这种传感器也可以做得非常小，可以就像U盘一样拿在手里使用。这比现在的一些大型医疗检查设备要方便多了。我们平时可以用它来预测人体内部可能发生了哪些变化，实时探知一个生命机体是否处于健康的状态。 如何生产出低成本的石墨烯？那么，石墨烯是如何被发现的呢？2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用一种非常简单的方法得到了越来越薄的石墨薄片。他们先从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越。最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。他们也因为这个成就获得了2010年的诺贝尔物理学奖。但是这样的操作方式效率太低，不能实现规模化生产，在产业化上难以行得通。  ▲获得若贝尔奖当天，安德烈·盖姆（左）、康斯坦丁·诺沃肖洛夫（右）在曼切斯特大学（图片来自网络） 规模生产石墨烯用的一种重要方法是氧化还原法，就是通过使用硫酸、硝酸等强酸和高氯酸钾、高锰酸钾等强氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，制得氧化石墨。然后将反应物进行水洗，去除残留的酸，随后进行超声剥离和干燥，制得氧化石墨烯粉体。最后采用高温加热、还原性试剂等方法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。 另外，氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，还使用大量的水进行清洗，会带来较大的环境污染，对环境非常不友好，在发展时会受到较大的羁绊。 现在生产石墨烯主推的一种方法是液相剥离法，因为不使用强氧化剂，对环境比较友好，也是比较绿色的一种方法。其基本原理是将石墨分散在溶剂中，而后通过高速剪切、超声波、微波以及电化学等手段辅助剥离，随后通过离心分离得到石墨烯分散液。这个是目前国内外研发机构重点攻关的一个技术，因为它绿色环保，是石墨烯制备技术发展的重点。 当然，现在也还有其他一些生产石墨烯的方法在不断尝试。只有不断尝试，不断创新生产方法，才能不断减低石墨烯的生产成本。 目前石墨烯产业发展的一个巨大障碍是高品质石墨烯生产的成本依旧很高，前几年国内1克石墨烯的价格可能到2000—3000元以上。现在随着国内做石墨烯的厂家越来越多，科研机构也越来越多，石墨烯的低成本工艺在不断被突破，石墨烯的成本做得好的企业可能已经降到了每克几百元、甚至是几十元，随着技术的不断进步，未来成本还会不断降低。  ▲英国威廉夫妇参观曼彻斯特大学时，威廉试乘石墨烯汽车（图片来自网络） 虽然近些年石墨烯的发展比较迅速，但是生产出来产品的品质，与石墨烯最理想的性能还有一定的差距，这与单层石墨烯的生产能力具有很大的关系。尽管现在国际学术界将10层以内（包括10层）的碳原子结构都称之为石墨烯，但是不能忽视的是石墨烯的一些优异性能是基于它是单层结构才有的，如果石墨烯变成了两层变成了三层，变成了更多层数时，它的性能就会大幅度下降。 因此，怎么才能以低成本的方式得到单层的石墨烯，怎么实现单层石墨烯的规模化生产，还需要大力攻关。 （本文来源于9月22日李炯利在首都科学讲堂《石墨烯趣谈:新型二维材料改变世界》讲座） 出品：科普中央厨房 监制：北京科技报 | 科学加客户端 |
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