石墨烯：应用前景极其广泛的新兴材料——石墨烯能否引发一场新的产业革命

本刊资料室



石墨烯：应用前景极其广泛的新兴材料
——石墨烯能否引发一场新的产业革命

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1　2010年诺贝尔物理学奖得奖项目

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体．20世纪初，X射线应用于晶体的研究，物理学家分析石墨晶体的结构，开始接触石墨烯；1948年，G.Ruess和F.Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的层数在3层至10层之间石墨烯图像．最初，科学家试着使用化学剥离法来制造石墨烯，但没有成功．所以，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在．直到2004年，英国曼彻斯特大学俄裔物理学家安·海姆(A.Geim，1958年～)和康·诺沃肖洛夫(K.Novosolov,1974年～)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，才证实它可以单独存在．2004年10月两人在Science发表了自己的成果，在全球引起强烈的反响，从此石墨烯成为研究热门，安·海姆和康·诺沃肖洛夫则因“有关二维石墨烯材料的开创性实验”而获得2010年诺贝尔物理学奖．

2　石墨烯的晶体结构

石墨烯为蜂巢晶格的单层sp2杂化碳原子排列形成的平面，是各种石墨结构的母体，如图1所示．二维石墨烯多层叠加形成三维的石墨体，卷曲可以形成一维结构的碳纳米管，包裹形成零维的球形富勒烯(巴基球)．

图1　石墨烯构建各种碳材料的示意图

3　石墨烯的性质与广泛应用

石墨烯有许多奇特的性质，利用这些奇特的性质，石墨烯显示了极其广泛的应用前景．例如以下几个方面.

3.1机械性质及新型机械材料

石墨烯既是最薄、最轻的材料，又是最强韧的材料．断裂强度130GPa，比最好的钢材还要高200倍；杨氏模量1 100GPa，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%．单原子层石墨烯材料理论比表面积(单位质量物料所具有的总面积)可达2 630m2/g．

如果用一块面积1m2的石墨烯做成吊床，本身重量不足1mg便可以承受一只1kg的物体．单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335nm，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1mm厚的石墨烯中就有150万层左右单个石墨烯．

石墨烯最强、最轻、最薄、比表面积最大等机械性质，使石墨烯有可能成为取代铝材、钢材制造飞机、汽车及各种各样设备、器件的新型机械材料．

3.2电磁性质及新型电子器件

用石墨烯制造的射频器件可以实现超高速、超低噪声、超低功率的射频电路，对通信、电子战、雷达及其他国防系统将产生重大影响．石墨烯在高性能储能器件方面，也已经展示出诱人的应用前景，可研发基于石墨烯的高能量密度锂电池和超级电容等．另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光．另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透．这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板．

3.3化学性质及新型防腐材料

最新发现石墨烯在防腐蚀方面非常有效．常用的聚合物涂层很容易被刮伤，降低了保护性能；用石墨烯来做保护膜，显著延缓了金属的腐蚀速度，更加坚固抗损伤．因此，石墨可能在海洋防腐、金属防腐、重化防腐等领域成为新型防腐材料．

3.4生物性质及新型抗菌药物

通过研究发现纳米级的石墨烯对细菌有杀伤效果，实现抑菌作用．这是由于石墨烯是纳米级的，而细菌是微米级，前者比后者小1 000倍，石墨烯就如同一把很锋利的刀，可直接把细菌杀死；利用这种性质，石墨烯有望成为一种新的抗菌药物，成为抗生素的重要替代选项，解决抗生素滥用问题．

3.5石墨烯其他性质

除以上性质外，人们发现石墨烯还有许多其他性质，例如双极性电场效应中的量子特性、非线性光学中的可饱和吸收、在室温下的量子霍尔效应 、在温度4K以下的反常量子霍尔效应等,深入研究可以找到更为巨大的应用价值．

4　各国对石墨烯的研究与开发

石墨烯在国际上引起广泛关注，纷纷投入人力、物力，开展研究与开发．

(1)美国.2006～2011年，美国国家自然科学基金(NSF)关于石墨烯的资助项目有200项，包括石墨烯超级电容器、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目．2008年，美国国防预研局(DARPA)投资2 200万美元研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管，用于无线通信、网络、雷达和成像等多个领域．

(2)欧盟.欧盟则制订了长期计划，将欧洲各国的石墨烯研究统筹为一个整体，加速商业化进程．2013年1月28日，欧盟委员会将石墨烯列入“未来新兴技术旗舰项目”，10年提供10亿欧元资助．2014年2月，欧盟未来新兴技术(FET)石墨烯旗舰计划发布了首份招标公告和科技路线图，其研究重点聚焦于半导体器件的集成、传感器、光电子学、生物界面等方面．

(3)日本.日本学术振兴机构(JST)从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助．

(4)韩国.2012～2018年，韩国原知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助用于技术研发和应用研究．

(5)中国.对于石墨烯领域的研究与开发，我国也较早就给予了关注．2012年工业和信息化部发布的《新材料产业十二五发展规划》，就把石墨烯作为前沿新材料列在其中．2015年11月10日，工业与信息化部原材料工业司司长周长益在2015年中国国际石墨烯创新大会上透露,石墨烯已作为重点包括在新材料产业发展的“十三五”规划之中．为了推动国内石墨烯研发及产业化进程，在科技部、工信部、国家发改委、国家自然科学基金委等的支持下，成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟．联盟成立以来，先后组建了技术、标准、专利、资源、产业促进、国际合作等专门委员会来整合协调、提高行业整体创新竞争力．其中，2014年1月中国石墨烯标准化委员会正式发布的中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》，就对规范中国石墨烯产业发展起到积极作用．在国家及多方面的支持下、我国科技人员已在石墨烯领域的研究与开发领域取得诸多成果．

5　石墨烯能否引发一场新的产业革命

目前普遍认为，石墨烯是一种强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的耐腐蚀、耐磨、高导热的新型纳米材料，在电子技术、电脑技术、化工、生物医药、能源、航空航天……领域都展现出宽广的应用前景．有的科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，极有可能掀起一场新的产业革命．

目前的问题是石墨烯尚未找到成本低廉、质量稳定、可大规模产业化的制备方法．要实现真正意义上的石墨烯商品化，还需要做大量的基础研究、应用研发工作．石墨烯能否引发一场新的产业革命？需要时间来考验．