對于石墨烯材料來說，2010年是一個重要的年份。這一年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，表彰他們“有關(guān)二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”，石墨烯材料也因此進入公眾視野。這種既透明輕薄同時又具有超強韌度的二維材料，已經(jīng)成為當(dāng)下材料科學(xué)領(lǐng)域的“明星”。

用膠帶“撕出”的諾貝爾獎

石墨烯是一種二維材料，從結(jié)構(gòu)上來說，它是由碳原子以六元環(huán)組構(gòu)而成的二維平面。它是碳的一種新型二維納米結(jié)構(gòu)形式，衍生于石墨。在顯微鏡下觀察石墨截面可以發(fā)現(xiàn)，石墨片層是由石墨烯緊密堆疊構(gòu)成的。因此，石墨烯可以被看作是一種石墨薄層，1毫米的石墨片層有大約300萬層石墨烯。如果把石墨比作一本書，石墨烯就是其中的一頁，只不過這一頁的厚度僅有0.335納米，是普通紙張的三十萬分之一。石墨烯還是目前可見的透明度最高的材料。玻璃通常作為透明材料使用。最透明的玻璃透光率為87%，而石墨烯薄膜透光率達到97.7%，肉眼看去幾乎是透明的。

早在19世紀(jì)中葉，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了石墨特殊的層狀結(jié)構(gòu)。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的印記就是數(shù)層石墨烯。然而，科學(xué)界長期認為由于石墨烯自身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，其不可能在常溫常壓的條件下穩(wěn)定存在。也就是說，石墨烯只存在于理論中，不是能實際存在的物質(zhì)材料。

這種成見統(tǒng)治了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域100多年，直至21世紀(jì)初被海姆和康斯坦丁戲劇性的發(fā)現(xiàn)所打破。據(jù)北京創(chuàng)新愛尚家科技股份有限公司穿戴項目負責(zé)人王玉倩介紹，兩位英國科學(xué)家使用膠帶將石墨烯從石墨中剝離出來，然后用顯微鏡觀察到了這種單層的碳原子結(jié)構(gòu)，證實了石墨烯的存在。他們用膠帶剝離法成功分離出石墨烯的做法，是石墨烯研究的重要突破。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了二維材料世界的大門。時至今日，已經(jīng)有700多種穩(wěn)定存在的二維材料得到實驗或理論認證。

提高制備技術(shù)以滿足多元需求

大批量、低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯材料，是其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提。但顯然“用膠帶撕下來”的剝離法并不適用于石墨烯材料規(guī)模化制備與生產(chǎn)。

目前，石墨烯的制備主要包括“自上而下”法和“自下而上”法兩種工藝。所謂的“自上而下”法，指的是以石墨為起點，從石墨中層層剝離，得到二維的微觀石墨烯，是一個“由多到一”的過程；而“自下而上”法是指從含碳化合物開始，利用高能量破壞掉化合物的化學(xué)鍵，使其中一個個的碳原子從中脫離出來后規(guī)則地聚集，生長成為石墨烯，是一個“由零到一”的過程。前者主要包括液相剝離法、氧化還原法、機械剝離法，后者則主要包括化學(xué)氣相沉積法、碳化硅晶體外延生長法。

中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授劉忠范介紹，石墨烯材料有3種不同的形態(tài)：粉體、薄膜、纖維。材料形態(tài)不同，用途也不一樣。2010年至今，石墨烯材料的應(yīng)用都是以粉體材料為主，用作電熱產(chǎn)品、導(dǎo)電添加劑、防腐涂料等。未來10年值得期待的是一維石墨烯纖維材料，它有望用作散熱膜、功能纖維、結(jié)構(gòu)增強纖維，甚至超級導(dǎo)線等。

王玉倩介紹，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以用于制造加熱墊、加熱片等加熱元件，可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括智能服裝穿戴、清潔建筑供暖、汽車及軌道交通等行業(yè)。在2022年北京冬奧會上，從發(fā)熱座椅到工作人員、運動員的保暖服裝，都應(yīng)用了石墨烯發(fā)熱材料和石墨烯柔性織物。這些材料和織物表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

劉忠范表示，再過10年左右，石墨烯薄膜材料或?qū)⒊蔀橹髁鲬?yīng)用材料，用其制備的水氧阻隔膜、分離膜、緩沖層、透明電極、觸控屏、射頻器件等，將逐漸從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。因此從材料的形態(tài)上講，從粉體材料到纖維材料，再到薄膜和晶圓材料，或許可以被視為石墨烯材料可預(yù)見的發(fā)展歷程。

同時，石墨烯材料產(chǎn)業(yè)還面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。王玉倩舉例道，目前石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)成本仍然較高，需要尋找更加經(jīng)濟高效的方法；石墨烯的制備需要更好地控制其結(jié)構(gòu)和性能，以滿足不同應(yīng)用的需求；石墨烯的生產(chǎn)和處理過程中可能會產(chǎn)生環(huán)境污染和廢棄物處理問題，需要研究環(huán)保的生產(chǎn)方法。盡管石墨烯具有許多優(yōu)異的特性，但如何在實際應(yīng)用中利用好這些特性還需要更多的研究和探索。

為產(chǎn)業(yè)尋求“殺手級應(yīng)用”

我國是世界第二大石墨資源國，已探明的石墨資源儲量為2.6億噸，石墨基礎(chǔ)儲量約占全世界總儲量的33%，具有良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)。

2015年，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、科技部等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，成為我國石墨烯領(lǐng)域首個國家層面的綱領(lǐng)性文件。近年來，一系列石墨烯材料產(chǎn)業(yè)的相關(guān)扶持政策陸續(xù)出爐。今年8月，工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委印發(fā)《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》，石墨烯名列其中。

無論是石墨烯材料的基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)化，中國都已走在世界前列。經(jīng)過近10年的發(fā)展，國內(nèi)石墨烯材料市場中，部分下游應(yīng)用領(lǐng)域取得突破，如石墨烯導(dǎo)電劑已在新能源汽車市場得到廣泛應(yīng)用。

隨著國家“煤改電”等清潔能源政策的推動，全國已有幾十個城市出臺了扶持政策，使石墨烯電加熱行業(yè)進入高速發(fā)展期。此外，石墨烯防腐涂料、石墨烯改性紡織品、石墨烯改性合金材料等應(yīng)用也在不斷發(fā)展成熟，中國成為石墨烯材料市場下游應(yīng)用開發(fā)力度最大的國家。

同時值得注意的是，歐美石墨烯材料市場的下游應(yīng)用多為光電器件、傳感器等高精密儀器。這些儀器對石墨烯材料的要求高，因此常采用“自下而上”法制備石墨烯材料。而我國市場上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法，通過氧化還原反應(yīng)制備，雖然成本低、產(chǎn)量大，但由于質(zhì)量尚有待提高，因此難以在集成電路等高精密度產(chǎn)品中應(yīng)用。

“我們起個大早，趕了個晚集。”劉忠范說，這也是他一直呼吁要尋找石墨烯“殺手級應(yīng)用”的原因。在他看來，“殺手級應(yīng)用”是建立在日趨完美的高性能石墨烯材料基礎(chǔ)上的。“我們需要原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究，也需要精益求精的研發(fā)和持續(xù)不斷的投入。”劉忠范認為。

審核編輯：黃飛