巴黎高科评论 / 编辑 / 2014-10-22
由于结构的特殊性，石墨烯要比人的头发薄100万倍，强度比钢高200倍，比铜的导电性更强，完全透明，而且可随意折叠。另外，石墨烯对所有气体都具有防渗透性。通常情况下，一种新材料被应用到消费类产品要经过30-40年，但这种特殊材料，在它的曼彻斯特发现者们看来，有朝一日将彻底颠覆电子、能源、航空航天和生物等领域的技术。目前，石墨烯已经被应用于光伏电池、电动车电池和数据中心处理器等产品。
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从物理学角度看，石墨烯是蜂窝晶格结构。如果把一层层的石墨烯压到一起，就成了石墨，也就是铅笔芯的主要成分。一块1毫米厚的石墨，约等于300万层石墨烯……实际上，这种神奇的材料是通过一种最令人不可思议的方式得到的。2004年，英国曼彻斯特大学教授安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫用一卷普通胶带，把石墨从铅笔芯上一层层分离出来，直到最后，得到只有一层原子厚的单层石墨，即石墨烯。他们因此而获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
广泛用途
在所有由单层原子构成的材料中，石墨烯看起来是最有前途的一种。美国麻省理工学院的一个团队已经试验将这些材料用于光伏电池。单靠政府补贴已经难以为继的光伏产业，亟需根本性的技术突破。将一层碳原子（石墨烯）与一层二硫化钼压在一起，制成的太阳能电池，性能虽然一般——转化率仅有1%，但体积非常小：一纳米厚，即百万分之一毫米。也就是说，每单位体积的石墨烯电池，所产生的电量要比现有最薄、转化效率为30%左右的太阳能电池（无论以砷化镓、晶硅还是硒化铟为原料）多30倍。
石墨烯结构
研究人员计算，如果是三层石墨烯加三层二硫化钼，转化率理论上可达10%，厚度却仅为3纳米——效率空前！如果能够工业化量产，将打破所有产品的功率记录。遗憾的是，这种革命性的电池目前还停留在理论阶段，未经实验室验证。
石墨烯比普通材料的强度更大。韩国高级科技研究院（The Korean Advanced Institute of Science and Technology）最近证明，把铜和石墨烯压在一起，强度能够提高500倍。虽然石墨烯的重量只占这种复合材料的0.00004 % ，却让整体强度提升了几百倍。
人们还敏锐地预见到石墨烯可以用于未来的电池研究。理论上，在不到10分钟内把手机电池充满是可以实现的。使用石墨烯电池的电动汽车将能够实现真正不受动力的限制，进而得到普及。石墨烯具有高度导电性，充电很快，但重量却只有普通电池的一半。
处于该研究领域前沿的加州大学洛杉矶分校，理查德?凯恩（Richard Kaner）教授领导的团队，已经开发出一种由石墨烯微电容网组成的电化学电容器。这种“超级电容器”拥有连效率极高的锂离子电池都无法与之相比的性能：100-1000倍的容量，3-4倍的密度。我们看到，技术的突破正在为将来用超级可靠的电容取代昂贵而笨重、性能却不稳定的电动车电池扫清道路。更重要的是，这将从根本上解决传统电池性能随时间推移而降低的缺陷，以及长时间不使用电池就会退化的问题。最终，电动汽车将可以直接与内燃机竞争，行驶成本只有后者几分之一——100公里仅1欧元。
加州大学洛杉矶分校的团队还成功地克服了一个重大挑战：石墨烯的实际生产。他们是如何把它剥离出来的？理查德?凯恩和同事们使用的是用于烧制DVD的普通光驱激光。先把DVD用一层石墨氧化膜覆盖，然后用激光“轰击”它，得到石墨烯，被称作LSG(激光刻石墨烯)研究人员希望有朝一日，能够将石墨烯“打印”在报纸这样的材料上。但路还很长。当然，不管是胶带还是激光，显然都无法让石墨烯量产。然而，进展不容否认。2004年安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫剥离的石墨烯，人们根本无法用肉眼看到，但在2014年，三星电子已经成功向世界展示了一个直径为76厘米的石墨烯圆片。
石墨烯 vs.硅
在一个由硅材料统治了几十年的电子世界里，石墨烯的命运将如何？可以肯定的是它可以被用来做为冷却剂。瑞典查尔莫斯科技学院（Chalmers Institute of Technology）的刘约翰（Johan Liu）教授解释说，“电脑中最热的部位是微处理器，温度可以达到55到115摄氏度（160-240°F ）。利用一层石墨烯，我们平均可以把温度降低13°C (55°F)。 你要知道，区区10°C的工作温度提高，就可以让电子设备寿命减少一半。而一个数据中心所消耗的能源当中，有一半都是用于设备冷却的。所以，石墨烯材料将极大地提高能效。进而，未来的芯片、微处理器以及晶体管将以更快的速度运行，同时不会发热。我们正在接近传说中的‘冷计算机！’”
支持者认为，石墨烯会让手机变得越来越薄，从而能和纸甚至织物结合使用。由于其结构简单，也可以做成透明屏幕放在墙上、窗户甚至眼镜上。简而言之，电子设备将不会再由工厂“制造”。由于变得超薄，它们可以被简单地“打印”出来。人们已经可以想象电子纸张和可折叠的通讯设备！顺便说一句，位于芝加哥的西北大学研究学者已经开发出一种超导石墨烯墨水，从而让这样的通讯设备成为可能。然而，一个重要挑战依然没有解决，那就是如何在印刷之后依然保持墨水的导电性。
还有人建议将石墨烯用于海水淡化过滤器。迄今为止，海水淡水依然非常昂贵——因为要消耗大量的能源。洛克希德?马丁公司（http://www.lockheedmartin.com）正在开发一种石墨烯过滤器，名为Perforene，它可以彻底改变反渗透海水淡化。Perforene的厚度仅为目前市场上最好的过滤器的1/500 —过滤膜比它要过滤的原子还薄！至于能量和过滤盐分所需的压力，则仅是其他过滤器的1/100。
石墨烯是目前所发现的二维材料（2D material）中最为人所熟知的，但却不是唯一。在全世界范围内，人们正在研究十几种二维材料。它们表现出互补性，通过与石墨烯相结合，让功能更加多样性。例如氮化硼，也只有一个原子厚，但不同于石墨烯，它是绝缘体，而且是最有效的绝缘体。而只有三个原子厚的二氧化钼，则是比硅更轻更坚固的半导体。在曼彻斯特大学康斯坦丁?诺沃肖洛夫的实验室，人们将高导电性的石墨烯与过渡性金属二硫化物相结合，用于吸收日光并转化成电能。
期待“一盆冷水”
正如所料，“石墨烯热”及它吸引到的资金，已经引起了科学界的强烈抵制。有人指出，这种碳原子结构的现实表现常常让人失望。就像在20世纪80年代备受吹捧的富勒烯，以及在1990年代引发极大热议的碳纳米管（卷曲石墨片），至今都没有真正意义上的商业化。
这是事实，石墨烯还没有发挥出颠覆现有电子产品的真正威力。从目前来看，行业巨头将不得不继续使用硅，因为石墨烯的缺点还无法克服：石墨烯器件的输出频率时常不能令人满意；它不是半导体，导电带也没有好到能独立承担晶体管的工作，而晶体管是所有电子产品的基本元件。在这样一个标志性的市场里，石墨烯最终也许只能占据一个细分领域，比如高频电子元件。
诺沃肖洛夫教授本人也承认：这股热潮已经走得太远了。他认为，新材料要取代常用材料，除非能证明它的应用具有足够的竞争力，以弥补这种转换所带来的成本和不便。简而言之，石墨烯的未来取决于围绕它进行的具体的应用开发。这实际上是一个工业文化问题。巴黎综合理工大学工程学院的Mark Goerbig教授解释说，“要培训工程师去习惯使用石墨烯，还要整整一代人的时间。”而且，根据这位研究者，硅的使用还没有达到摩尔定律上的效率极限，就算是石墨烯绝对有能力在将来的某个时候超越硅，但究竟是什么时间，还无法断言。
经济性是一个难题。2013年，生产1克石墨烯的成本是800美元，这意味着距离硅及其衍生品退出舞台还有很长日子。尤其是考虑到除了生产困难，它还有危害性需要对付。当一种材料只有一个原子厚时，对它的任何操作都可能改变它的结构。此外，当几种不同的纳米材料被放在一起，随意融合，没有人知道后果究竟是什么。特别地，任何其他溶剂的添加，都有可能影响到石墨烯的导电性。
因此，与其他纳米材料一样，石墨烯也引发了人们的担忧。据位于罗德岛的布朗大学进行的研究，石墨烯的尖锐边缘可能会刺穿身体细胞，让物质进入并破坏细胞功能。研究人员认为纳米毒性危害非常现实：可以穿透细胞深达10微米。所以，当我们要创建基于石墨烯的人工视网膜，诸如此类，问题就会出现。
而针对它的另一重要属性——非凡的强度，同样有质疑。位于得克萨斯州的莱斯大学的一项研究发现，在石墨烯“薄片”的边缘，六边形的碳原子结构会退化为五边形和七边形，从而导致强度下降。一个最轻微的缺口就可能导致整个薄片开裂，就像挡风玻璃那样。
石墨烯的地缘政治学又是什么？虽然最初的突破来自于英国的曼彻斯特，欧洲现在却落在了后面。到2012年第四季度，有关石墨烯的专利申请，中国有2204件，美国是1754件，而韩国是1160件，英国只有54件。2013年1月，欧洲委会推出了石墨烯项目，预算巨大：十年10亿美元。其目标是：发展石墨烯的产业应用，并壮大二维材料的家族。该项目由来自17个国家的74个学术和产业合作伙伴组成的共同体领导。126家研究机构（包括5个法国实验室）将共同致力于11个方向：材料、健康和环境、石墨烯基础研究、二维材料、高频电子、光电、自旋电子学、传感器、柔性电子产品、能源应用、纳米复合材料以及制造技术。
巨大的兴奋背后，我们应该保持清醒的是什么？首先是这样的颠覆所带来的基础研究挑战：这种材料被分离出来还不到10年，它的物理属性还需进一步彻底探究，它为很多领域提供的巨大可能性也需进一步探讨；其二，虽然批量生产（想想石棉）的潜在危害是一个值得严肃考虑的事情，但现在看来，关键产业部门如光伏、电脑元件和电动车电池，石墨烯带来的技术突破将彻底改变游戏规则和结果。下一阶段，进行工业化量产——实当慎之又慎。
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