百科：新材料家族里的“高帥富”

出門(mén)前用5秒鐘給手機(jī)充滿(mǎn)電，一次充電就可以用半個(gè)月，這聽(tīng)起來(lái)是不是很炫很酷？超薄超輕型飛機(jī)、超薄可折疊手機(jī)、超級(jí)鋰電池、太空電梯等，是不是更讓你驚掉下巴？
　　其實(shí)，這并非科幻小說(shuō)中的場(chǎng)景，而是可以實(shí)現(xiàn)的，“幕后功臣”就是現(xiàn)在聲名煊赫的石墨烯，它被譽(yù)為“21世紀(jì)的神奇材料”。
　　石墨烯為“何方神圣”
　　石墨烯結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是理論模型，難以單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過(guò)簡(jiǎn)單的“機(jī)械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料——石墨烯，證實(shí)了它可以單獨(dú)存在。
　　這兩位科學(xué)家也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，摘得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。
　　石墨烯是單原子層的二維晶體材料，是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料，也是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的碳材料。鉛筆里用的石墨可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此，石墨烯也被視作“單層石墨”。

　　石墨烯是目前已知的世界上最薄、最強(qiáng)、導(dǎo)熱性最好且擁有強(qiáng)大柔韌性的納米材料：它可以薄到只有一個(gè)碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬(wàn)片石墨烯；它的強(qiáng)度比鋼還要高100倍；它也有優(yōu)異的導(dǎo)電性；還具有在可見(jiàn)光下透明但不透氣等特殊的性質(zhì)。
　　由于身懷諸多“絕技”，“出世”僅10多年的石墨烯已引無(wú)數(shù)科學(xué)家競(jìng)折腰，不愧為新材料家族的“高帥富”。它可用來(lái)制造透明觸摸屏、超靈敏的傳感器、電池、發(fā)光二極管（LED）等；還可用來(lái)制造防彈衣、航空航天材料；并有可能成為硅的替代品，在半導(dǎo)體領(lǐng)域“大顯身手”。
　　飛入尋常百姓家
　　柔性顯示屏
　　智能手機(jī)廠商和可穿戴設(shè)備廠商一致認(rèn)為并堅(jiān)信，可折疊彎曲的柔性顯示屏技術(shù)，將來(lái)會(huì)徹底革新手機(jī)領(lǐng)域和可穿戴領(lǐng)域。因此，他們都在大力推行柔性顯示屏技術(shù)的研發(fā)工作，石墨烯由于其得天獨(dú)厚的柔韌性而成為一種理想的候選材料。
　　2014年9月，英國(guó)劍橋大學(xué)石墨中心和英國(guó)塑料邏輯公司（Plastic Logic）聯(lián)合研制出了柔性石墨烯顯示屏原型，這是石墨烯首次應(yīng)用于基于晶體管的柔性電子設(shè)備上。這種技術(shù)未來(lái)的發(fā)展可能還包括液晶顯示屏（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)，提供全彩色功能，并支持所需的高速刷新率。
　　更合身的可穿戴產(chǎn)品
　　可穿戴設(shè)備作為目前科技產(chǎn)品中最炙手可熱的“寵兒”，受到各路人士的追捧，但目前市面上大多數(shù)可穿戴設(shè)備的屏幕依然是平面型的，和我們的身體不能很好地貼合。
　　石墨烯具有很好的柔韌性、很高的強(qiáng)度，這讓它既適用于手腕上的觸控，也增強(qiáng)了屏幕的抗損能力。柔性電池也讓智能穿戴設(shè)備成為更貼身舒適的標(biāo)配。因此，石墨烯在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域潛力很大。
　　讓我們打開(kāi)思維的翅膀想象一下：1年以上的續(xù)航能力、可根據(jù)手腕粗細(xì)調(diào)節(jié)弧度的柔性彎曲屏，加上照顧你身體各種機(jī)能的健康A(chǔ)PP應(yīng)用，由石墨烯研制的產(chǎn)品將成為你的“貼身管家”，讓你享受更加健康美好的生活。
　　新能源電池
　　目前，在市場(chǎng)上，以特斯拉為代表的電動(dòng)車(chē)已成為愛(ài)車(chē)人士眼中的“香餑餑”，但電池是高性能電動(dòng)汽車(chē)最為昂貴的部分。而且，智能手機(jī)、相機(jī)、游戲機(jī)等也都需要大量的鋰電池。
　　由于石墨烯極高的比表面積（指單位質(zhì)量物料所具有的總面積），因此化學(xué)反應(yīng)速度和材料利用率更高，而且，石墨烯極佳的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能也有利于鋰離子的擴(kuò)散傳輸，使鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間快速大量地穿梭運(yùn)動(dòng)，借此特性研制出的石墨烯鋰電池，能將幾小時(shí)的充電時(shí)間縮短為幾分鐘。
　　據(jù)西班牙《世界報(bào)》2014年報(bào)道，西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的3倍。用此電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000千米，而其充電時(shí)間不到8分鐘。而且，這種電池的使用壽命是傳統(tǒng)氫化電池的4倍、鋰電池的2倍。另外，因石墨烯天生輕盈，此電池的重量?jī)H為傳統(tǒng)電池的一半，使裝載該電池的汽車(chē)更加輕量化，進(jìn)而提高了汽車(chē)的燃油效率。
　　雖然這款電池優(yōu)點(diǎn)多多，但并不“傲嬌”，Graphenano公司相關(guān)負(fù)責(zé)人稱(chēng)，此電池的成本將比傳統(tǒng)鋰電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍之內(nèi)。
　　另外韓國(guó)財(cái)經(jīng)雜志《Business Korea》網(wǎng)絡(luò)版刊文稱(chēng)，三星研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)在硅表面覆蓋石墨烯制作出了一種新的“硅陰極材料”，制作出的新型電池能提供1.8倍于現(xiàn)今鋰電池的能量密度，而且200次充放電之后，還能維持1.5倍的能量密度，同時(shí)保持了其尺寸、體積和安全性。這款電池不僅可用于智能手機(jī)和平板電腦，還能使電動(dòng)汽車(chē)一次充電行駛更遠(yuǎn)的距離。
　　有鑒于此，很多人認(rèn)為，石墨烯會(huì)是拯救鋰電池的“法寶”。但石墨烯電池的研發(fā)成本較高，目前很難普及。如果在不久的將來(lái)，這類(lèi)新產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，那么，電池的發(fā)展將翻開(kāi)新的篇章。
　　半導(dǎo)體材料
　　由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)半導(dǎo)體和導(dǎo)體會(huì)以熱的形式消耗大量能量，導(dǎo)致目前電腦芯片以此方式浪費(fèi)了約80%的電能，使硅芯片的速度很難繼續(xù)提高。另外，硅的極限是7納米，現(xiàn)已接近臨界點(diǎn)。而石墨烯的電子能量幾乎不損耗，且電阻率極低，電子遷移速度比硅材料快10倍，因此或可被用來(lái)研制更纖薄、速度更快的新一代電子元件或晶體管，具有顛覆硅時(shí)代的潛力，承載著未來(lái)變革產(chǎn)業(yè)的希望。
　　比如在芯片領(lǐng)域，早在2011年6月，IBM沃森研究中心的科學(xué)家表示，他們成功研制出了全球首款由石墨烯圓片制成的集成電路，向開(kāi)發(fā)石墨烯計(jì)算機(jī)芯片前進(jìn)了一大步，這一成果也被評(píng)為了2011年全球十大科學(xué)新聞之一。科學(xué)家們認(rèn)為，這項(xiàng)突破可能預(yù)示著，未來(lái)可用石墨烯圓片代替硅晶片。而且，這塊集成電路還可以運(yùn)行得更快，屆時(shí)，由這類(lèi)集成電路制成的芯片可以改進(jìn)手機(jī)和無(wú)線(xiàn)電收發(fā)兩用機(jī)的信號(hào)，未來(lái)，手機(jī)或許能在一般認(rèn)為無(wú)法接收信號(hào)的地方工作。2014年10月，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能大幅降低藍(lán)光LED成本，這種技術(shù)有望催生高頻晶體管、光探測(cè)器、生物傳感器以及其他“后硅時(shí)代”組件。
　　2014年12月，IBM宣布研發(fā)出號(hào)稱(chēng)全世界速度最快的石墨烯場(chǎng)效晶體管（FET），可在26GHz頻率下運(yùn)作。研究人員預(yù)測(cè)，碳元素更高的電子遷移率，可望使該種材料超越硅的極限，達(dá)到100GHz以上的速度跨入兆赫領(lǐng)域。
　　鑒于石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的巨大潛能，IBM公司計(jì)劃在未來(lái)5年內(nèi)投入30億美元研究下一代芯片技術(shù)。他們希望能借此研發(fā)出速度更快的芯片，實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算能力，推動(dòng)人工智能和更強(qiáng)大的認(rèn)知計(jì)算的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人腦的效率、尺寸和能耗。
　　知識(shí)鏈接
　　微處理器
　　一顆微處理器就是由采用不同材料制成的許多“層”堆疊起來(lái)的電路，里面包含了晶體管、電阻器、以及電容器等微小元件。它是一種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件。微處理器是微型計(jì)算機(jī)的中央處理器，其本身并不等于微型計(jì)算機(jī)。
　　晶體管
　　一種固體半導(dǎo)體器件，具有檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開(kāi)關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流，它利用電訊號(hào)來(lái)控制自身的開(kāi)合，開(kāi)關(guān)速度可以非常快，實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。
　　兩只“攔路虎”
　　盡管石墨烯優(yōu)點(diǎn)多多、潛能大，但在其叱咤風(fēng)云的道路上，仍有一些“攔路虎”需要解決。首先，工業(yè)生產(chǎn)中沒(méi)有成熟的技術(shù)可用于大規(guī)模生產(chǎn)具有特殊性能的石墨烯；其次，用于硅基處理的傳統(tǒng)固態(tài)技術(shù)不適用于高分子材料石墨烯的加工。
　　但科學(xué)家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的勇士，在這群“武松”面前，一切真老虎也都變成了“紙老虎”。
　　據(jù)媒體報(bào)道，2014年4月，三星宣布，三星先進(jìn)技術(shù)研究所（SAIT）與韓國(guó)成均館大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出一種新合成方法，可大面積制備應(yīng)用于半導(dǎo)體的晶圓級(jí)單晶石墨烯。而且，用該方法制備的石墨烯單晶具有優(yōu)異的電性能和機(jī)械性能。該研究所負(fù)責(zé)人說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)這一發(fā)現(xiàn)將加速石墨烯的商業(yè)化，并可能開(kāi)創(chuàng)消費(fèi)電子技術(shù)的新時(shí)代。”
　　另外，西班牙AIMEN技術(shù)研究中心的研究人員于2015年8月10日在《應(yīng)用物理快報(bào)》上發(fā)表論文，介紹了使用超高速激光加工石墨烯材料的新技術(shù)。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們通過(guò)短激光脈沖，誘導(dǎo)石墨烯的化學(xué)晶格發(fā)生了變化。單個(gè)激光脈沖的持續(xù)時(shí)間僅有幾秒，石墨烯中的極性分子會(huì)像水波那樣產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的振蕩。在振蕩過(guò)程中，可通過(guò)切割石墨烯晶體，把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。如此一來(lái)，大量的石墨烯可在高速度、高精度條件下被裁減，為石墨烯的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。
　　俗話(huà)說(shuō)，皇帝的女兒不愁嫁，高帥富當(dāng)然也不乏大把人追。中、美、歐盟等主要國(guó)家和地區(qū)均高度重視石墨烯的研究和開(kāi)發(fā)，期待它能帶來(lái)巨大的市場(chǎng)價(jià)值和技術(shù)變革。
　　21世紀(jì)的神奇材料“石墨烯”，承載了人們對(duì)未來(lái)生活的諸多美好想象。未來(lái)10年這些想象可能就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，讓我們拭目以待吧！