有沒有這樣一款堅韌的薄膜，它能以一支鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會被戳破？

石墨烯可以做到。

近日，在北京市科協(xié)主辦的“首都科學講堂”上，中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范和北京石墨烯研究院副院長、石墨烯器件技術(shù)研究部部長魏迪這兩位專家，向公眾介紹了石墨烯這款曾獲得2010年諾獎的明星材料。

石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯。

石墨烯是由一層以六角形蜂巢結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的二維碳材料。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨，但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因為，早在70多年前，理論研究就表明，完美的二維結(jié)構(gòu)晶體無法在非絕對零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。

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實驗方法突破了科學家們的理論認知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后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。不斷這樣操作，薄片越來越薄，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

理論上不可能，實驗中卻偏偏被制備出來了！這個發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學界。僅僅6年后，兩位發(fā)現(xiàn)者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

“大家經(jīng)常講，石墨烯這個諾貝爾獎是用透明膠帶撕出來的。實際上我們不能小瞧這么一個簡單但是重要的發(fā)現(xiàn)�！眲⒅曳对菏空f，對于科學研究來說，像這兩位科學家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。

石墨烯有很多神奇的性能，因此號稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因為它只有一個原子層；它是強度最大的材料，理論上它的強度比鋼強韌200倍；它是導(dǎo)電性最好的材料，電導(dǎo)率是銀的1.6倍；它是導(dǎo)熱性最好的材料，熱導(dǎo)率是銅的13倍。

劉忠范介紹，石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，又具備超強的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，這讓它的應(yīng)用前景十分廣闊。

它可以做觸摸屏，因為它是透明導(dǎo)電薄膜；也可能用做超快集成電路，因為石墨烯里的電子跑的非�？�，在室溫下的電子遷移率超過了硅材料的10倍；它是輕質(zhì)高強材料，在航空航天領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用前景；它的電磁屏蔽性質(zhì)，也可以利用來做隱型飛機、隱身材料……

它可能產(chǎn)生一些類似于科幻電影場景的酷炫應(yīng)用。

“石墨烯的酷炫應(yīng)用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的載流子遷移率，能讓電子跑得非�？�。如果說常用的導(dǎo)電材料是高速路上行駛的汽車，那石墨烯就是一輛超跑�！蔽旱险f，這個性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。

人體能發(fā)射遠紅外光，由于石墨烯超高的載流子遷移率，遠紅外光投射到它上面后產(chǎn)生的電子可以被迅速地采集。這樣，戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡，就可以看到夜里的一切東西，還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數(shù)據(jù)。同時，由于石墨烯具備其透光性，它還能作為顯示屏投射各種信息，當你去一個陌生地方，它可以即時顯示路況、附近酒店、景點、餐館等服務(wù)信息。

不過，理想很豐滿，現(xiàn)實還比較骨感�，F(xiàn)在你能在市場買到的石墨烯，很可能大部分都只是石墨。

2018年，《先進材料》上曾發(fā)表一篇文章，作者之一就是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中，研究者們分析了來自美洲、亞洲和歐洲的60家公司的粉體石墨烯樣品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司的樣品中石墨烯含量低于10％，而且沒有一家樣品中石墨烯的含量超過50％。

單層石墨烯是實驗室產(chǎn)物，可工業(yè)化大量制備的石墨烯一般有幾層呢？

“從應(yīng)用的角度講，一般大家的共識是十層以下可稱為石墨烯，盡管嚴格意義上講，只有單層石墨片才是真正的石墨烯，而十層以上就是普通的、傳統(tǒng)的粉體石墨�！眲⒅曳墩f。

在規(guī)�；�的工業(yè)制備中，石墨烯粉體一般是用化學反應(yīng)剝離石墨層的辦法去做。但這類氧化還原方法常常會帶來大量的廢酸、廢水。比如用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨，生產(chǎn)1公斤石墨烯需要耗費50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀和1噸水。

薄膜石墨烯的規(guī)模化制備方法，最有代表性的是化學氣相沉積技術(shù)，即在高溫爐子里，通過高溫化學反應(yīng)來一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面，在1000攝氏度通上甲烷，就可以生成一個單原子層的石墨烯。

截止2020年6月底，我國在工商部門注冊的、營業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已經(jīng)達到了16800家。全國已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個，石墨烯研究院54家，石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個，石墨烯聯(lián)盟12個，分布在21個省市。

石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的文章數(shù)量，我國從2011年開始就在全球領(lǐng)先，現(xiàn)在占比超過全球的1／3。石墨烯領(lǐng)域?qū)＠�申請�?shù)量我國也是全球最多，大約占全球的7成。我國粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大，已達到每年5000多噸。我國在薄膜石墨烯的制備方面也全球領(lǐng)先，年產(chǎn)能已達到650萬平米左右。

“從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、知識產(chǎn)權(quán)擁有量、文章發(fā)表數(shù)量上，我們是全球領(lǐng)先的。但要注意的是，與歐洲、美國、日本和韓國相比，中國石墨烯行業(yè)的關(guān)注點根本不在一個頻道上。國外更多關(guān)注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來型技術(shù)研發(fā)，而中國則非常重視近期的實用性產(chǎn)品的開發(fā)。”劉忠范說，雖然我們對未來核心技術(shù)的關(guān)注相對少一點，但從總體上看，中國的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化力量在全球還是處于第一方隊。

魏迪認為，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)目前很多是在低附加值的添加涂料或加熱領(lǐng)域，未來應(yīng)更多地往光電子器件、傳感器件等高附加值產(chǎn)業(yè)布局。

石墨烯目前已經(jīng)被嘗試在哪些方面應(yīng)用？

劉忠范介紹，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)有“三大件”，一是新能源，將石墨烯用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑，使電池充電速度更快、電容量也有提升；二是添加進防腐涂料，節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅的含量，同時提升防腐性能；三是大健康領(lǐng)域，比如利用其導(dǎo)熱性能制作眼罩、護膝等理療產(chǎn)品。三者合計，約占90％。

國內(nèi)也有石墨烯高端產(chǎn)品，比如采用了石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜的石墨烯手機等。

2019年的世界移動通信大會上有石墨烯的專門展廳，石墨烯被用于數(shù)據(jù)通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、新能源等領(lǐng)域。比如用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測有害氣體，用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時探測可見光和紅外光。

石墨烯幾乎無所不能，但目前石墨烯材料應(yīng)用面廣而不專精。那么，未來什么才可能成為石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級應(yīng)用呢？

劉忠范說：“‘殺手锏級’的用途，意味著離開它不行。我們現(xiàn)在還沒有找到石墨烯‘殺手锏級’的用途。”

他表示，未來可能從兩個方向找到石墨烯的殺手锏級用途，一類是邏輯推理式的用途，一類是出其不意的用途。

邏輯推理式用途，是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性非常好，又是透明的和柔性的，且只含常見的便宜的碳原子。未來，石墨烯薄膜用做透明導(dǎo)電薄膜，制作可穿戴柔性電子器件，將大有前途，或許能成為“殺手锏級”的用途。

非邏輯性的出其不意的用途，則需要研究者的創(chuàng)意思考�！氨热缥覀儼咽�墨烯長到藍寶石上，跟LED結(jié)合起來，做成LED照明器件。其他什么工藝都不變，就可以將發(fā)光效率提升30％多。”劉忠范說，一旦產(chǎn)業(yè)化，這就是下一代的LED節(jié)能照明器件，會全面淘汰現(xiàn)有照明器件，也屬于“殺手锏級”應(yīng)用。

“殺手锏級應(yīng)用就是只能用石墨烯，其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨特優(yōu)勢，來開展它‘殺手锏級’應(yīng)用的探索�！蔽旱媳硎荆瑥钠骷�角度來講，可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能，將它與硅基半導(dǎo)體融合使用，制作出有優(yōu)越性能的光電子探測器件、夜視遠紅外探測器件、邏輯電路器件等。