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這是一種神奇的材料。只有一層原子那么厚，卻比鋼鐵強200倍；擁有極強的導電性卻又柔韌透光。石墨烯在被英國位曼徹斯特大學的研究員Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年發現之后聲名鵲起，這兩位因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

　　我們聽到許多實驗事實，我們讀到石墨烯是如何通過不計其數的方式拓展了當今技術前沿。我們甚至還想出了大象在鉛筆上玩平衡的場景。歷數這些新聞頭條，可以看出石墨烯科學中大部分令人激動的領域還處于早期階段。我們大概得等上好幾年，可能好幾十年，才能看到第一款石墨烯加強的智能手機，飛機或者防彈衣。不過拋開這些畫餅似的預言，它們背后的基礎研究正在加快步伐。

石墨烯到底是什么？

　　石墨烯是人們發現的第一種由單層原子構成的材料。碳原子之間相互連接成六角網格。鉛筆里用的石墨就相當于無數層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

　　
　　石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關系。

　　由于碳原子之間化學鍵的特性，石墨烯很頑強：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學屬性。石墨烯在可見光下透明，但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護層和透明電子產品的原料。

　　但是適合歸適合，真的做出來還沒那么快。

問題之一：制備方式。

　　許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來。

　　別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

　　
　　諾沃肖洛夫團隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。

　　雖然所需的設備和技術含量看起來都很低，但問題是成功率更低，弄點兒樣品做研究還可以，工業化生產？開玩笑。要論產業化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片……

　　當然現在我們有了很多其他方法，能增加產量、降低成本——麻煩是這些辦法的產品質量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒有真的能適合工業化大規模推廣生產的技術。

　　這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環。這看起來沒啥大不了的，但是化學氣相沉積法產生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內部，成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。材料是個麻煩的領域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。

　　
　　顯微鏡下的一塊石墨烯，偽色標記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。

問題之二：電學性能。

　　石墨烯一個有前景的方向是顯示設備——觸屏，電子紙，等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個問題能在十年之內解決。

　　但是為啥我們不能干脆拋棄金屬，全用石墨烯呢？這就是它在電子產品領域里最致命的問題。現代電子產品全部是建筑在半導體晶體管之上，而它有一個關鍵屬性稱為“帶隙”：電子導電能帶和非導電能帶之間的區間。正因為有了這個區間，電流的流動才能有非對稱性，電路才能有開和關兩種狀態——可是，石墨烯的導電性能實在太好了，它沒有這個帶隙，只能開不能關。只有電線沒有邏輯電路是毫無用途的。所以要想靠石墨烯創造未來電子產品，取代硅基的晶體管，我們必須人工植入一個帶隙——但是簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個領域的研究的確不少：多層復合材料，添加其他元素，改變結構等等；但是諾沃肖洛夫等人認為這個問題要真正解決，還要至少十年。

問題之三：環境風險。

　　石墨烯產業還有一個意想不到的麻煩：污染。石墨烯產業目前最成熟的產品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它很便宜，雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領域，作為電子紙等用途倒是相當不錯；可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊，只要它老老實實呆在電子產品里，那就沒有任何問題；可是前不久研究者剛發現它在地表水里非常穩定、極易擴散。雖然現在對它的環境影響下斷言還為時太早，但這的確是個潛在問題。

進展迅速

　　“別的不談，石墨烯的研究進展就比其他相似的材料要快，”英國劍橋大學的“劍橋石墨烯研究中心”主任Andrea Ferrari這樣說道。他指出在2004年石墨烯被發現之后的頭幾年，大部分的研究都屬于基礎物理，局限在學術界。“直到2009/2010年，大學的應用學科院系和公司真正開始注意到這個材料，其實它的應用研究也就開始了四年。”

　　在最近的幾年里，石墨烯相關的專利數量驟增——發表的總數從2012年到2014年翻了一番，超過了9000個。其中超過四分之三來自中國（47%），韓國（13%）和美國（18%）。

　　在石墨烯的家鄉，它的研發吸引了巨額的政府投資。今年在英國，以曼徹斯特為中心，投資六千一百萬英鎊的國家石墨烯研究所（NGI）成立。在其中有三千八百萬英鎊來自英國政府。石墨烯旗艦公司（Graphene Flagship）是歐盟委員會未來和新興技術競賽（FET）的大贏家之一。在今后的十年里，它將從地平線2020項目得到十億歐元（七億三千萬英鎊），用于基礎和應用研究。迄今為止，這個項目已經在二十三個國家有超過一百四十個合作組織。最近它發布了由Ferrari主導的石墨烯研究路線圖。

靈光乍現

　　幾個月前，一個里程碑式的時刻來臨了，英國第一個石墨烯增強商業產品揭幕——Graphene Lighting公司生產的一種燈泡。這家公司由曼徹斯特大學和NGI建立。

　　這個燈泡的開發者對技術實現諱莫如深，只是介紹說這種燈泡有一個由石墨烯包裹的燈絲狀LED，石墨烯的超高導電性把整個燈泡的效率提高了10%，還延長了使用壽命。此外，曼徹斯特大學的Colin Bailey提到這種燈泡生產成本低，還推廣了“更可持續”的部件，他是Graphene Lighting的一個董事。“我們期望這些產品能在年底進入市場”他說，“我們的供應鏈已經就位。”

　　他另外還談到NGI在不久的將來還會有其他設備問世，包括由可打印的石墨烯墨水制做而成的天線，這為廉價的無線電頻率標簽和可穿戴無線傳感器提供了新的可能。Baily預計它可以在2016年被推向市場。“我們還在尋找投資來支持我們需要的工廠和供應鏈，”他說，“我們接下來還排了許多別的項目，比如說石墨烯作為鋼結構建筑的涂料，比如含有石墨烯成分的大容量快速充電電池。”

　　的確，石墨烯起步階段很可能主要用于含有石墨烯的復合材料，這要歸功于相對廉價的生產方式：在溶液中液相解理石墨來生產小片石墨烯。將少量石墨烯與合金或者聚合物等其他材料結合可以讓它們的強度或是電導產生指數級的增長。這制造商就可以生產出更好的保護涂層，用于3D和噴墨打印的導電墨水，或者是更堅固的建筑材料。

　　Graphene Flagship的路線圖預計在幾年之內就會有越來越多含有石墨烯的墨水和材料問世。一些企業已經開始了這些商品的生產。合成材料生產商Haydale Graphene Industries已經把石墨烯納米箔片混入了環氧樹脂和碳纖維增強聚合物。他們現在正與賽艇隊Alex Thomson Racing 合作，嘗試制造強度更高、重量更輕的船只，研制提升船只性能的涂料。

　　美國的體育用品制造商Head在2013年在一個網球拍柄中使用了石墨烯增強聚合物，以此來改變球拍的重量分布。這產生了不小的轟動。公司宣稱這個改動讓同樣“揮重”的球拍輕了20%。Head的這款產品取得了極大的成功，它的專利覆蓋了這種材料在其他體育用品中的應用，包括滑雪桿和高爾夫球桿。“石墨烯商業化走得非常的快，快得出乎市場的預期，”Bailey說。

標準跟上

　　以石墨烯為基礎的材料和設備的發展速度，與能否大批量產緊密相關。在現階段，生產出最佳質量石墨烯的方法，比如機械解理（膠帶法）和化學氣相沉積（CVD），它們的成本還沒有低到適合大批量生產，至今仍然只局限于研發。這個問題一直困擾著那些需要大塊、無缺陷單層石墨烯的高技術應用，但與此同時，制造其他材料，比如多原子層石墨箔片的技術，已經開始展翅起飛了。

　　“兩年前，涉及石墨烯生產的企業有一百家左右……現在大概有三百家”Graphene Council（石墨議會，類似一個論壇）的董事Terrance Barkan說。這是一個設計石墨烯研發和生產的網絡。

　　雖然增長喜人，Barkan警告說這同樣會帶來問題。“每天都有新的公司宣稱自己在制造石墨烯，但是這個材料卻沒有一個統一的標準……有人把單層碳納米管稱為‘卷起來的石墨烯’，或者不管單層多層統統稱作石墨烯。除非你的經常用到石墨烯，否則很容易被這些術語搞得暈頭轉向。”

　　Barkan提到這么一個案例，供應商生產的一致性不佳，導致買家收到的不同批次材料特性都略有不同。這導致了很多困擾，讓企業在用石墨烯取代傳統、特性、指標描述完善的材料時承擔了很大的風險。

　　此外，Graphene Council正在致力于建立一套用于在工業界表征石墨烯各種變體的標準。在這個領域，Graphene Flagship也很活躍。在去年，來自歐洲各地的研究者發展了一本“族譜”，用于不同種類石墨烯還有相關材料的排序和分類。

　　“標準化沒什么好讓人興奮的，”Barkan說，“它又不賺錢——大家都討厭！但是我的說如果你沒有越過這個坎就別想得到一個舉足輕重而又廣泛綜合的商業市場。”

找到賣點

　　不可否認，第一個石墨烯器件的誕生的確激動人心，憤世嫉俗的人很快指出即便沒有石墨烯，燈泡和網球拍也照樣能用。現在還不清楚用石墨烯能不能搞出全新的玩意，我們甚至連那些新東西可能是什么都不清楚。

　　“在新興領域很難準確地知道‘殺手級應用’在哪里，”Ferrari說。他指出我們需要參考類似材料的歷史，來猜測接下來的發展走向。比如，類金剛石碳——擁有部分類似于鉆石的性質卻又沒有晶體結構的非晶碳——在1970年代被發展出來。在那時，就像石墨烯，它被認為可以用于晶體管。

　　“但是在過去的五十年里從來沒有類金剛石做的正常晶體管，”Ferrari說，“另一方面，這個材料在別的領域大放光彩——世界上所有的電腦硬盤都離不開表面的那一層類金剛石碳。現在全球每年生產十億臺這樣的電腦，但是在1970年，誰都不會想到這將在四十年后成為類金剛石碳的殺手級應用。”

　
? FlexEnable

　　現在沒有人知道石墨烯的殺手級應用將會是什么，但是它的很多特性在電子工業中頗具潛力。Ferrai的很多研究都專注于利用石墨烯這個透明、柔韌、輕薄的導體來發展柔軟的電子器件。與在劍橋的FlexEnable公司合作，Ferrai的團隊做出了第一個以石墨烯為基礎的軟顯示器，它的電子墨水閱讀器風格的反射顯示屏中，石墨烯電極取代了金屬電極，軟塑料代替了傳統屏幕上的玻璃。

　　手機巨人三星和諾基亞也把他們的目光投向了以石墨烯為基礎的軟電子產品。他們在發展可折疊屏幕的項目上投資了數百萬資金，嘗試用石墨烯來取代現在手機和平板觸屏上廣泛使用的氧化銦錫（ITO）——這種材料又脆又硬。雖然三星宣稱已經做出了一些能工作的原型，制作石墨烯需要的CVD工藝成本仍然是個挑戰，而且這些原型也不對外銷售。

　　現在，我們發展體積更小，晶體管更多的芯片的速度正在放慢，有人提出用石墨烯在芯片中取代硅。但是這個實在有點好高騖遠，Ferrari警告說：“我永遠不會用石墨烯取代硅——至少在我這一輩子。”他補充說石墨烯電子產品至少還得再等20年才能為進入市場做好準備，他同時也警告這需要巨大的投資。

　　“‘給石墨烯十億英鎊’這么個頭條看上去很棒，但是想想一個半導體公司單單為了把一個設備做的再小那么一點就可以在十年的過程中砸幾十億美元，你就會覺得這個真是毛毛雨。”Ferrari說，“在石墨烯上，我們現在真的只是剛剛起步而已。”

改變世界

　　對于參與過好幾個高技術創業項目的技術顧問Tim Harper來說，有一些能夠改變世界的石墨烯技術或許離實現已經很接近了。他指出“石墨烯競賽”真正的贏家是那些能夠迎合市場需求把技術轉化成產品的人。

　　“如果你打算攥著一袋石墨烯到處找應用，那會很難。”Harper說，“如果你能找到一件只有石墨烯才能做到事，你的生意就來了。”

　　Harper認為石墨烯材料能夠大有所為的一個領域是水質凈化。他最近投資了一家英國公司G2O，這家公司可以合法使用美國南卡羅來納大學發展的氧化石墨烯薄膜技術。這種水過濾膜的制作方法是在聚酰胺基底上涂一層氧化石墨烯箔片。這層箔片與聚酰胺纖維交疊并包裹其上，“類似于魚鱗上的粘液層”，Harper這樣描述。當油水混合物與薄膜接觸時，氧化石墨烯箔片把水分鎖在薄膜結構中，形成許多親水的小口袋以阻擋油分。這讓薄膜非常耐臟，解決了這個凈水膜技術的通病。

　　“現在水處理成本非常之高，”Harper說，“但是一旦你開始制造這種薄膜，突然之間水的通量增加，薄膜污損減少，換言之就是省下一大筆。拿一個典型的海水淡化廠來看，這能給我們省下40%的能源開銷。”這能讓一家工廠每年節省接近四千萬美元（兩千六百萬英鎊）。Harper希望這樣的數字能夠打動水處理廠和海水淡化廠來投資這項技術的規模化。

　　他參與的另一家公司，Xefro，正在設計完美的供暖系統。Harper說，“用可以打印的石墨烯墨水，我們搞出了能塑成各種形狀整合進建筑結構的發熱器。”先期測試顯示，把這個技術與控制各個房間供暖的系統結合起來，視房間其他部分隔熱的好壞，能夠節省25%到70%不等的能源。“我們能搞出一套降低供暖開銷50%到60%的解決方案，”Harper如此說道。

　　雖然這些想法看起來未來感十足，Harper敏銳地指出如果有合適的投資，他們實現的速度可能遠超你的想象。“我覺得這不是十年的研究項目，也不是五年的項目，”他說，“而是能在幾年內推向市場的東西。”

　　盡管有些地區的進展比其他的快，神奇材料沒有任何要離開聚光燈的意思。作為一個剛剛開始吸引投資者和工業界興趣的新興技術，Ferrari把石墨烯比作一個“新生兒”。毫無疑問，很快他就將邁出自己的第一步。

所以，石墨烯的命運究竟如何？

　　鑒于過去幾個月里學界并無新的突破性進展，近日它的這波突發性“火熱”，恐怕本質上還是資本運行的炒作結果，應審慎對待。作為工業技術，石墨烯看起來還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出，目前石墨烯的應用還是受限于材料生產，所以那些使用最低級最廉價石墨烯的產品（譬如氧化石墨烯納米顆粒），會最先面世，可能只需幾年；但是那些依賴于高純度石墨烯的產品可能還要數十年才能開發出來。對于它能否取代現有的產品線，諾沃肖洛夫依然心存疑慮。

　　另一方面，如果商業領域過度夸大其神奇之處，可能會導致石墨烯產業變成泡沫；一旦破裂，那么也許技術和工業的進展也無法拯救它。科學作者菲利普·巴爾曾經在《衛報》上撰文《不要期望石墨烯帶來奇跡》，指出所有的材料都有其適用范圍：鋼堅硬而沉重，木頭輕便但易腐，就算看似“萬能”的塑料其實也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會發揮巨大的作用，但是沒有理由認為它能成為奇跡材料、改變整個世界。或者，用諾沃肖洛夫自己的話說：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應用領域里才能充分展現：那些設計時就充分考慮了這一材料特性的產品，而不是用來替代現有產品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子產品，可折疊太陽能電池，和超級電容器等等新領域能否發揮它的潛能，就讓我們平心靜氣拭目以待吧。

來源：烯碳資訊

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