近日遥浑，在北京市科協(xié)主辦盒俏、九三學(xué)社北京市委特別支持的第667期“首都科學(xué)講堂”上蔼说，中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范與北京石墨烯研究院副院長(zhǎng)敷主、石墨烯器件技術(shù)研究部部長(zhǎng)魏迪唐绍，向公眾介紹了石墨烯——這款曾獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)的明星材料。

透明膠帶撕出來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)

石墨烯原本就存在于自然界幸亭，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)仗扬。1毫米厚的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯——它是由一層碳原子以六角形蜂巢結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積構(gòu)成的二維碳材料厉颤。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨穴豫，但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因?yàn)楸朴眩缭?0多年前的理論研究表明精肃，完美的二維結(jié)構(gòu)晶體無(wú)法在非絕對(duì)零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。

2004年帜乞，兩位英國(guó)科學(xué)家用一種非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法突破了原有理論認(rèn)知司抱。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上黎烈，撕開(kāi)膠帶习柠，就能把石墨片一分為二。不斷這樣操作照棋，薄片越來(lái)越薄资溃，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片——這就是石墨烯。理論上雖不可能成功烈炭，實(shí)驗(yàn)中卻偏偏被制備出來(lái)了走柠。這個(gè)發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學(xué)界，兩位發(fā)現(xiàn)者共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)卫道。

“大家經(jīng)常講括者，石墨烯這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)是用透明膠帶撕出來(lái)的。實(shí)際上秒勿，我們不能小瞧這么一個(gè)簡(jiǎn)單但重要的發(fā)現(xiàn)脂挥。”劉忠范說(shuō)，對(duì)于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)吹兴，像這兩位科學(xué)家那樣勇于探索骑枯、大膽嘗試極其重要。

石墨烯具有很多神奇性能施揪，因此號(hào)稱(chēng)“新材料之王”：它是最薄的材料涡税，因?yàn)樗鼉H有一個(gè)原子層;它是強(qiáng)度最大的材料，理論上強(qiáng)度比鋼強(qiáng)韌200倍;它是導(dǎo)電性最好的材料怯路，電導(dǎo)率是銀的1.6倍;它是導(dǎo)熱性最好的材料纲缠，熱導(dǎo)率是銅的13倍。

劉忠范介紹蛉加，石墨烯是強(qiáng)度最高的材料之一蚜枢，同時(shí)還具有很好的韌性，可以彎曲针饥，又具備超強(qiáng)導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性厂抽，這讓它的應(yīng)用前景十分廣闊——它可以做觸摸屏需频，因?yàn)樗峭该鲗?dǎo)電薄膜;也可以用作超快集成電路，因?yàn)樗锩娴碾娮优艿梅浅筷凤？煺蜒常覝叵码娮舆w移率超過(guò)硅材料10倍;它是輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景;它的電磁屏蔽性質(zhì)藐守，也可以被利用制作隱形飛機(jī)挪丢、隱身材料……

它，還可能產(chǎn)生一些類(lèi)似于科幻電影場(chǎng)景的酷炫應(yīng)用卢厂。

“石墨烯的酷炫應(yīng)用是基于其酷炫材料性能乾蓬。它有超高載流子遷移率，能讓電子跑得非成骱悖快任内。如果說(shuō)，常用導(dǎo)電材料是高速路上行駛的汽車(chē)庸灶，石墨烯就是一輛超跑腐熊。”魏迪說(shuō)，這個(gè)性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類(lèi)的酷炫裝備窘携。

人體能發(fā)射遠(yuǎn)紅外光冒瞎，由于石墨烯具有超高載流子遷移率，遠(yuǎn)紅外光投射到它表面后產(chǎn)生的電子可以被迅速采集瑰齐。這樣一來(lái)弟茸，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡就可以看到夜里的一切栅洁，還可以采集使用者本身的血糖仔醒、腦電等生理數(shù)據(jù)。同時(shí)劳诽，由于石墨烯具備透光性序评，它還能作為顯示屏投射各種信息。當(dāng)你外出旅行定歧，它可以即時(shí)顯示路況辽廊、附近酒店、景點(diǎn)官地、餐館等服務(wù)信息酿傍。

石墨烯產(chǎn)業(yè)哪家強(qiáng)

不過(guò)，理想很豐滿驱入，現(xiàn)實(shí)仍骨感〕喑矗現(xiàn)在你能在市場(chǎng)上買(mǎi)到的石墨烯，很可能都只是石墨亏较。

2018年莺褒，《先進(jìn)材料》上曾發(fā)表一篇論文掩缓，作者之一是石墨烯諾貝爾獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。在此遵岩，研究者們分析了來(lái)自美洲你辣、亞洲與歐洲60家公司的粉體石墨烯樣品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司樣品中石墨烯含量低于10%尘执，且沒(méi)有一個(gè)樣品石墨烯含量超過(guò)50%。

單層石墨烯是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)物誊锭，可工業(yè)化大量制備的石墨烯一般有幾層呢?

“從應(yīng)用角度講蠢熄，一般大家的共識(shí)是10層以下可稱(chēng)為石墨烯。盡管?chē)?yán)格意義上講茅早，只有單層石墨片才是真正的石墨烯敞冤，而10層以上就是普通的、傳統(tǒng)的粉體石墨肘论。”劉忠范說(shuō)崭甩。

石墨烯一般分成兩類(lèi)，一類(lèi)是粉體石墨烯悉砌，一類(lèi)是薄膜石墨烯有愚。這兩類(lèi)石墨烯制備方法完全不同，應(yīng)用領(lǐng)域與場(chǎng)景也完全不同符晃。

在規(guī)氖迓眨化工業(yè)制備中，石墨烯粉體一般采用化學(xué)反應(yīng)剝離石墨層的辦法獲取绒双。然而躬源，這類(lèi)氧化還原方法常帶來(lái)大量廢酸、廢水还织。比如拆座，用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生產(chǎn)1公斤石墨烯需要耗費(fèi)50公斤濃硫酸冠息、3公斤高錳酸鉀與1噸水挪凑。

具體到薄膜石墨烯的規(guī)模化制備方法逛艰，最有代表性的是化學(xué)氣相沉積技術(shù)躏碳，即在高溫爐子里通過(guò)高溫化學(xué)反應(yīng)來(lái)一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面散怖，在1000攝氏度下通上甲烷菇绵，就可以生成一個(gè)單原子層石墨烯。

目前杭抠，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)狀況如何?數(shù)據(jù)顯示脸甘，截至今年6月底恳啥，我國(guó)在工商部門(mén)注冊(cè)、營(yíng)業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已達(dá)到1.68萬(wàn)家丹诀。全國(guó)已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個(gè)钝的，石墨烯研究院54家，石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個(gè)铆遭，石墨烯聯(lián)盟12個(gè)港揉。

從石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量來(lái)看，2011年起哮霹，我國(guó)就在全球領(lǐng)先宰孙，目前占比超過(guò)全球的三分之一。石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量在我國(guó)也是最多的墅轩，約占全球七成坚哲。我國(guó)粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大，已達(dá)每年5000多噸付昧。在薄膜石墨烯制備方面御欢，我國(guó)也于全球領(lǐng)先，年產(chǎn)能達(dá)650萬(wàn)平方米左右严齿。

“但要注意的是升碱，與歐洲、美國(guó)骄闺、日本及韓國(guó)相比是酣，中國(guó)石墨烯行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)根本不在一個(gè)頻道上。國(guó)外更多關(guān)注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來(lái)型技術(shù)研發(fā)剃袍，而中國(guó)非常重視近期實(shí)用性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)黄刚。”劉忠范說(shuō)，我們對(duì)未來(lái)核心技術(shù)的關(guān)注相對(duì)少一點(diǎn)笛园，但從總體上看隘击，中國(guó)石墨烯基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化力量在全球仍處于第一方隊(duì)侍芝。

魏迪認(rèn)為研铆，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)未來(lái)應(yīng)更多向光電子器件、傳感器件等高附加值產(chǎn)業(yè)布局州叠。

“殺手锏”級(jí)應(yīng)用會(huì)是啥

目前棵红，石墨烯已被嘗試在哪些方面應(yīng)用?

劉忠范介紹，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)有“三大件”咧栗，一是新能源逆甜，將石墨烯用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑，使電池充電速度更快致板、電容量提升;二是添加進(jìn)防腐涂料中交煞，節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅含量咏窿，并提升防腐性能;三是大健康領(lǐng)域，比如利用其導(dǎo)熱性能制作眼罩熬鸟、護(hù)膝等理療產(chǎn)品——三者合計(jì)虫喝，約占我國(guó)石墨烯產(chǎn)能九成。

此外秸铣，國(guó)內(nèi)也有石墨烯高端產(chǎn)品俊揣，比如采用了石墨烯觸摸屏、電池與導(dǎo)熱膜的石墨烯手機(jī)等朱泞。

那么乐太，國(guó)際上在用石墨烯做什么產(chǎn)品?在2019年世界移動(dòng)通信大會(huì)上，設(shè)有石墨烯專(zhuān)門(mén)展廳膀琐，展示了石墨烯在數(shù)據(jù)通信莉孽、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)苦旋、可穿戴設(shè)備江刚、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。比如卤连，用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測(cè)有害氣體驴荡，用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時(shí)探測(cè)可見(jiàn)光與紅外光。

石墨烯幾乎無(wú)所不能燥筷，但目前石墨烯材料應(yīng)用面廣而不專(zhuān)精箩祥。那么，未來(lái)什么才是石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級(jí)應(yīng)用呢?

劉忠范說(shuō)：“‘殺手锏’級(jí)用途意味著離開(kāi)它不行肆氓。目前袍祖，我們?nèi)晕凑业绞?lsquo;殺手锏’級(jí)用途。”未來(lái)可能從兩個(gè)方向入手谢揪，一類(lèi)是邏輯推理式的用途蕉陋，另一類(lèi)是出其不意的用途。

邏輯推理式用途拨扶，是從石墨烯本身性能推理出的用途凳鬓。比如，現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃患民，它不是柔性的缩举，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性匹颤、導(dǎo)電性非常好仅孩，又是透明柔性的，且僅含便宜的碳原子卡催。未來(lái)责名，石墨烯薄膜用作透明導(dǎo)電薄膜來(lái)制作可穿戴柔性電子器件將大有前途溶迹，或許能成為“殺手锏”級(jí)用途。

非邏輯性的出其不意用途液炼，則需要研究者創(chuàng)意思考尔粮。“比如，我們把石墨烯長(zhǎng)到藍(lán)寶石上用省，與LED結(jié)合起來(lái)激靡，做成LED照明器件——其他工藝不變，就可以將發(fā)光效率提升30%以上败民。”劉忠范說(shuō)娩纱，一旦產(chǎn)業(yè)化，這就是下一代LED節(jié)能照明器件坡驹，會(huì)全面淘汰現(xiàn)有照明器件磨豁，也屬于“殺手锏”級(jí)應(yīng)用。

“‘殺手锏’級(jí)應(yīng)用就是其他材料取代不了四爹，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)顾翼，來(lái)開(kāi)展‘殺手锏’級(jí)應(yīng)用的探索。”魏迪表示奈泪，從器件角度來(lái)講适贸，可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能，將它與硅基半導(dǎo)體融合使用涝桅，制作出有優(yōu)越性能的光電子探測(cè)器件拜姿、夜視遠(yuǎn)紅外探測(cè)器件、邏輯電路器件等冯遂。