用它製成的一厘米厚板材能承受5噸重大象；用它做的手機電池1秒內可充滿；以它為材料的平板電腦可摺疊成手機大小。這就是石墨烯。
文/記者 李鵬 編輯/陳永傑
新媒體編輯/呂冰心
【專家簡介】
北京石墨烯技術研究院首席技術專家
它的強大能力常常令人咋舌。一塊用它製成的一厘米厚板材，能夠讓一頭5噸重的成年大象穩穩站在上面；用它做的手機電池，一秒內就能把電充滿；以它為材料的平板電腦，可以隨意摺疊成手機大小放在口袋裡。這種神奇的材料就是石墨烯。
日前，北京石墨烯技術研究院首席技術專家李炯利博士在首都科學講堂為公眾進行了一次科普講座。本文將最受大家歡迎和關注的一些問題整理出來，分享給讀者。
石墨烯被稱為"材料之王"是由於其一系列特性決定的。石墨烯是一種由碳原子組成的六角形二維碳納米材料。它的優勢基於它以下幾個優點：首先它的厚度是目前最薄的，然後是強度最高，透光最好，導電最好，導熱也是最好的。
跟我們生活中遇到的一些材料對比，就能感受到石墨烯的一些優勢，比方說它的厚度僅有0.34納米，1克單層的石墨烯展開就可以達到2630平方米。如果和我們列印使用的A4紙比較，那麼單層的石墨烯厚度僅僅是相當於紙厚度的一百萬分之一。
電子顯微鏡觀測下的石墨烯單層碳原子結構（圖片來自網絡）
石墨烯的強度硬度甚至超過了鑽石，幾乎是優質鋼材的一百倍。玻璃的透光率可能才只有89%，而石墨烯的透光率可以達到97.7%，所以肉眼下它幾乎是透明的。在導電導熱方面，目前也還沒有材料可以超過石墨烯。
正是因為石墨烯有這麼多優異性能，現在包括美國、歐盟等都把石墨烯列為非常重要的一個前沿材料，美國軍方甚至把石墨烯列為影響未來軍事裝備的九大科技之一。在歐盟，歐洲科學家也把石墨烯列為影響未來科技的六大科技之一，並且把它排在了第二位。
石墨烯是一種由碳原子組成的六角形二維碳納米材料（圖片來自網絡）
這些年石墨烯基礎研究和相關產業在中國發展也很快，中國不僅形成了比較雄厚的石墨烯基礎研究和應用研究的研發力量，一些顯現出石墨烯優異性能的產品也在不斷問世。
當前，我國還需要在研究中深入挖掘，解決石墨烯材料基礎研究和產業發展的一些關鍵性難題，將中國發展成一個石墨烯研發的強國。
石墨烯對人類至關重要，儘管石墨烯從發現到現在也只有十多年的時間，但是其在基礎研究和產業發展方面都很快，這些年也取得了一系列重大突破，一些產品也已經應用到工業或者一些人的生活中。現在我們也正在針對石墨烯的具體應用於不同領域來一一展開研究，不管是在民用工業、國防還是我們的日常生活上，它都會有很好的發展前景，未來也會與我們的生活息息相關，它在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、電晶體等多個方面都具有廣闊的應用前景。
研究發現，石墨烯加入到導體電纜材料之後，可以使它的導電性在原有的基礎上提高5%到10%，大家不要小看這5%到10%的一個提升效果，像我們現在的西電東送工程，輸電網絡建設的時候都是成千上萬公里。 如果說能提升5%，上萬公里積累下來，降低能耗的效果就會非常明顯。
石墨烯的特殊結構（圖片來自網絡）
在高鐵中，接觸線是用來構架高速鐵路接觸網的，由銅及其他合金共同構造而成，其號稱是車的大動脈，因此保持優異的性能至關重要，它的性能也關係著高鐵的運行速度。通過石墨烯高強度高導電性，在銅接觸線裡面進行添加，就可以滿足下一代時速400公里高鐵的需求。
我們國家正在開發時速600公里的磁懸浮列車，現在動車、高鐵速度分別是200多、300多公里，飛機速度可以達到900多、1000多公里，它們中間正好有一個時速600公里的市場，磁懸浮列車做出來之後，就可以給大家多一個出行的選擇，你可以選擇動車高鐵，你也可以選擇磁懸浮列車或者飛機，這樣就會方便更多的人群。
石墨原材料（供圖 李炯利）
高速磁懸浮列車需要具有高導電性的超導線圈。自從2004年發現以來，研究人員懷疑石墨烯可能也有能力成為超導體，意味著它可以讓電子來回快速穿梭，而根本沒有任何電阻。
儘管現在人類已經使用超導材料來產生磁懸浮列車所需要的強大磁場，但成本高昂，這也是這些年磁懸浮列車交通方式飽受爭議的重要原因之一。
這幾年，劍橋大學的研究人員已經在石墨烯的超導性研究上取得了突破，如果我國在這個領域取得突破並應用在高速磁懸浮列車上，600公里的列車時速可能就不再是一個夢想。
石墨烯的高導電性，還有它高的電子遷移特性，會加速離子、電子在電池中的遷移，實現電池的快速充放，並提高電池的能量密度。
在未來幾年，我們的手機充電或者是新能源汽車充電，可能充放電時間會縮短到現在的1/10。基於石墨烯的高透光性和高導電性，加上石墨烯本身的柔韌性比較好，我們可以開發柔性顯示電子產品，它們能夠摺疊，可以是手機、Pad，可以是另外一種形態的報紙。另外，一些可穿戴和摺疊的電子機械上也可以使用這種柔性屏。
石墨烯粉體的分散液（供圖 李炯利）
防靜電在紡織與服飾行業是至關重要的，大家都有過這樣的生活經歷，比如在冬天穿乾燥的衣物尤其是一些化纖的衣服，當我們脫衣服時，經常就會聽到或者看到放電的場景，這其實跟我們穿的衣服導電性比較差有關，石墨烯具有很好的防靜電效應。
紡織品添加石墨烯之後，就可以大大地降低纖維織物的電阻率，從而可以耗散掉靜電，這樣大家穿衣服脫衣服就不會產生靜電現象。更多時候消除靜電不僅僅是避免這些不便，還可大大降低我們的生產安全風險，因為如果衣服上帶有靜電，往往就會在金屬粉末或者其它粉塵高的地方引發爆炸，如加油站、麵粉廠、紡織廠等，均需要有專門的抗靜電防護處理，石墨烯抗靜電產品在這些領域有潛在的應用前景。
石墨烯具有還特別獨特的性質，在油跟水之間，它是只吸油而不吸水。石墨烯的這種特性可以幫助我們實現油水分離。現在海上油輪泄漏，污染非常大，眾多生物也深受其害，但是卻難以解決。未來成本合適了，可以將石墨烯材料撒到海上，就可以很好地解決污染問題。
石墨烯納米生物傳感器是我們非常看重或者是未來應用很廣的一種醫療器械。採用最先進的免疫檢測醫療技術，它可以識別我們血液、尿液或者汗液中的一些物質，比方說某種蛋白、某種肽、某種病毒或者其他化學物質，如果有它們的存在，這種傳感器馬上將生物信號轉化為電信號，並被儀器監測設備監測到，這有助於我們快速獲得檢查結果。
石墨烯在生物傳感器上的應用廣泛（圖片來自網絡）
我們很多人都有在醫院看病的經歷，先得預約挂號，在檢查完以後醫生也許會告訴你在兩天以後或者一個星期以後再來拿結果。但是有了這種傳感器，就可以迅速拿到結果。它甚至還能夠像家庭醫生一樣幫我們快速得到結果，我們在得到結果以後，再遠程反饋給醫生，就可以得到非常好的在線診斷。
這種傳感器也可以做得非常小，可以就像U盤一樣拿在手裡使用。這比現在的一些大型醫療檢查設備要方便多了。我們平時可以用它來預測人體內部可能發生了哪些變化，實時探知一個生命機體是否處於健康的狀態。
那麼，石墨烯是如何被發現的呢？2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡單的方法得到了越來越薄的石墨薄片。他們先從石墨中剝離出石墨片，然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，於是薄片越來越。最後，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。他們也因為這個成就獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。但是這樣的操作方式效率太低，不能實現規模化生產，在產業化上難以行得通。
獲得若貝爾獎當天，安德烈·蓋姆（左）、康斯坦丁·諾沃肖洛夫（右）在曼切斯特大學（圖片來自網絡）
規模生產石墨烯用的一種重要方法是氧化還原法，就是通過使用硫酸、硝酸等強酸和高氯酸鉀、高錳酸鉀等強氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，製得氧化石墨。然後將反應物進行水洗，去除殘留的酸，隨後進行超聲剝離和乾燥，製得氧化石墨烯粉體。最後採用高溫加熱、還原性試劑等方法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯。這種方法操作簡單，產量高，但是產品質量較低。
另外，氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，還使用大量的水進行清洗，會帶來較大的環境污染，對環境非常不友好，在發展時會受到較大的羈絆。
現在生產石墨烯主推的一種方法是液相剝離法，因為不使用強氧化劑，對環境比較友好，也是比較綠色的一種方法。其基本原理是將石墨分散在溶劑中，而後通過高速剪切、超聲波、微波以及電化學等手段輔助剝離，隨後通過離心分離得到石墨烯分散液。這個是目前國內外研發機構重點攻關的一個技術，因為它綠色環保，是石墨烯製備技術發展的重點。
當然，現在也還有其他一些生產石墨烯的方法在不斷嘗試。只有不斷嘗試，不斷創新生產方法，才能不斷減低石墨烯的生產成本。
目前石墨烯產業發展的一個巨大障礙是高品質石墨烯生產的成本依舊很高，前幾年國內1克石墨烯的價格可能到2000—3000元以上。現在隨著國內做石墨烯的廠家越來越多，科研機構也越來越多，石墨烯的低成本工藝在不斷被突破，石墨烯的成本做得好的企業可能已經降到了每克幾百元、甚至是幾十元，隨著技術的不斷進步，未來成本還會不斷降低。
英國威廉夫婦參觀曼徹斯特大學時，威廉試乘石墨烯汽車（圖片來自網絡）
雖然近些年石墨烯的發展比較迅速，但是生產出來產品的品質，與石墨烯最理想的性能還有一定的差距，這與單層石墨烯的生產能力具有很大的關係。儘管現在國際學術界將10層以內（包括10層）的碳原子結構都稱之為石墨烯，但是不能忽視的是石墨烯的一些優異性能是基於它是單層結構才有的，如果石墨烯變成了兩層變成了三層，變成了更多層數時，它的性能就會大幅度下降。
因此，怎麼才能以低成本的方式得到單層的石墨烯，怎麼實現單層石墨烯的規模化生產，還需要大力攻關。
（本文來源於9月22日李炯利在首都科學講堂《石墨烯趣談:新型二維材料改變世界》講座）
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
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