中国粉体网12月1日讯  英国国家物理实验室和英国曼彻斯特大学通力合作，加快世界上最薄材料的应用。英国国家物理实验室（NPL）和曼彻斯特大学签署了一份谅解备忘录，以帮助挖掘石墨烯更接近实际应用的潜在效益，加速令人瞩目的二维材料商业化。在未来战争环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为军事发展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在军事方面大有作为，主要应用在军事航天、军事探测、极高频卫星通信系统等。

石墨烯：让“二维”结构材料从想象变为现实

    人们对石墨并不陌生，石墨是由碳元素组成。在电子显微镜下，可以发现石墨的结构是层状的，每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边形网格，而层与层之间的距离较大，层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹，正是这种松散堆砌的结果。从狭义上来说，石墨烯指单层的石墨；从广义上来说，层数小于10层的石墨都可称为石墨烯。

    其实，很早以前就有人想到，如果将石墨一层层剥离，最后能不能得到只由单层原子组成的“二维”石墨片？1987年，有人正式给这种理想中的“二维”石墨片取了个名字——石墨烯。直到21世纪初，最薄的石墨片也只到几十层原子的水平。更糟糕的是，早在20世纪30年代，著名俄国物理学家朗道等人就已证明，二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构，实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也佐证了这一结论。因此，制备石墨烯曾被很多人认为是注定无法成功的事情。而海姆和诺沃肖洛夫团队偶然发现了一种十分简单的方法：他们用透明胶带粘住石墨层的两个面，然后撕开，使之分为两片。不断重复这一过程，就可得到越来越薄的石墨薄片，其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

    2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。仅仅6年之后，两人便因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。一个成果从完成到获诺奖，仅仅间隔6年时间，绝对十分罕见，这也从一个侧面说明了这个工作的受关注程度。的确，石墨烯出现以来，科学家们很快就发现了这种材料拥有的各种各样神奇性质，各方面对它的研发投入了极大兴趣。有科学家甚至预言，石墨烯将“彻底改变21世纪”。

石墨烯的神奇特性可颠覆日常经验

    石墨烯是世界上第一个二维材料，具有许多独特的或超过其他材料的优异性能。它具有优越的机械刚度、强度、弹性、导电性和导热性，并具有光敏感性、化学惰性和不透气性。单一材料上拥有的这些特性使石墨烯成为光电子学、柔性电子器件、生物电子器件、能量储存和超滤等领域潜在的颠覆性技术。

    在力学性质方面，石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。科学家已经证实石墨烯是目前世界上已知的强度最高的材料，比钻石还坚硬，是世界上最好的钢铁强度的100多倍。瑞典皇家科学院在颁发2010年诺贝尔物理学奖时曾这样比喻：“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4千克的兔子”。有人这样引申说，由于石墨烯厚度只有单层原子，透光率高达97.7%，因此如果真有那样的吊床，它不仅对于肉眼，甚至对于很多仪器来说都是不可见的，我们看到的将是一只悬停在半空中的兔子。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。

    在热电性质方面，在石墨烯的“二维世界”里，电子运动具有很奇特的性质，即电子的质量仿佛是不存在的，其传导速度可达光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。加上石墨烯结构在常温下的高度完美性，使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速，这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。更重要的是，石墨烯还可用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。很多人相信，石墨烯将会成为硅的接班人，引领技术领域一个新的微缩时代的来临。

    石墨烯除了具有超高的强度和韧性外，还有不透水、不透气以及抵御强酸、强碱的能力，这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。而且，石墨烯既能导电又高度透明的特点，则使它有可能在制作液晶显示屏、触摸显示屏、太阳能电池板等领域大显身手。为了与时俱进，支持未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应、安全隐蔽的军事、宇航通信，满足21世纪新的和平事业和世界局势发展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得异常必要。

石墨烯的应用：前途光明、道路曲折

    其实就在2012年，因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫和他的同事曾经在《自然》上发表文章讨论石墨烯的未来，两年来的发展基本证明了他们的预测。他们认为作为一种材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，虽然将来它也许能发挥重大作用，但在克服几个重大困难之前，这一场景还不会到来。更重要的是，考虑到产业更新的巨大成本，石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备——它的真正前景，或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合。

    许多项研究向人们展示了石墨烯的惊人特征，但有一个陷阱，这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品，需要最费时费力费钱的手段：机械剥离法——用胶带粘到石墨上，手工把石墨烯剥下来。所需的设备和技术含量看起来很低，但问题是成功率更低。要论产业化，这手段毫无用途。现在我们有了很多其他方法，能增加产量、降低成本，但这些办法又无法保证产品质量，迄今为止还没有能适合工业化大规模推广生产的技术。

    石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏、电子纸等。目前而言，石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。现代电子产品全部是建立在半导体晶体管之上，而它有一个关键属性称为“带隙”：电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间，电流的流动才能有非对称性，电路才能有开和关两种状态——可是，石墨烯的导电性能实在太好了，它没有带隙，只能开不能关。只有电线没有逻辑电路是毫无用途的。要想靠石墨烯创造未来电子产品，取代硅基的晶体管，必须人工植入一个带隙，但简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。虽然目前针对这个领域的研究不少，但诺沃肖洛夫等人认为这个问题要真正解决，还要至少十年。

    石墨烯产业还有一个意想不到的麻烦：污染。石墨烯产业目前最成熟的产品之一是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”，它很便宜，虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端领域，作为电子纸等用途相当不错；可其对人体很可能是有毒的，并且研究者发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。虽然现在对它的环境影响下断言还为时太早，但这的确是个潜在问题。

喜忧参半，石墨烯的发展前景尚不明朗

    尽管石墨烯有一些早期应用，但其尚未标准化，产业界无法保证材料质量和性能，石墨烯也难以充分发挥潜力。尽管达到国际标准在任何领域都是产业发展的关键因素，这个过程可能需要许多年才得以实现。英国国家物理实验室（NPL）和曼彻斯特大学正在试图解决标准化差距，同时加快开发石墨烯使能技术，通过对石墨烯材料的准确计量和表征，以增强对石墨烯性质和能力的理解，从而以可靠和可重复的方式生产石墨烯。

    NPL项目主任Robin Hart说：“石墨烯以其惊人的特性，将有能力完全改变整个行业。在供应链的不同阶段，消费者和制造商必须确信会得到哪些优惠条件。在开发和生产阶段引入计量环节将极大提高效率，确保政府和企业在石墨烯技术中的投资以最有效的方式使用。曼彻斯特大学是公认的石墨烯研发之家，通过与他们合作加快石墨烯研究商业化，我们可以收获石墨烯带来的更快的产业效益和社会效益。”

    作为工业技术，石墨烯还有许多未能克服的困难。诺沃肖洛夫指出，目前石墨烯的应用还受限于材料生产，那些使用最低级最廉价石墨烯的产品会最先面世，可能只需几年；但那些依赖于高纯度石墨烯的产品可能还要数十年才能开发出来。对于它能否取代现有的生产线，诺沃肖洛夫心存疑虑。另一方面，如果商业领域过度夸大其神奇之处，可能会导致石墨烯产业变成泡沫；一旦破裂，那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。

    科学作者菲利普·巴尔曾经在《卫报》上撰文《不要期望石墨烯带来奇迹》，指出所有的材料都有其适用范围：钢坚硬而沉重，木头轻便但易腐，就算看似“万能”的塑料其实也是种种大相径庭的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的作用，但没有理由认为它能成为奇迹材料、改变整个世界。或者，用诺沃肖洛夫自己的话说：“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现：那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品，而不是用来替代现有产品里的其他材料。”