長期以來，石墨烯一直被認(rèn)為是一種假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)存在。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)俄裔物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫，通過特殊方法從石墨中剝離石墨片，成功制備出僅由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯片，從此世界上誕生了一種擁有“無數(shù)世界之最”的神奇材料。這一突破性成果，不僅證實(shí)了石墨烯可以單獨(dú)存在，而且破除了其無法成功制備（制造）的“定論”。

2010年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院將本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒給了取得這驚人成果的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫。

石墨烯在帶給兩位科學(xué)家榮譽(yù)的同時(shí)，迅速在世界上掀起一股石墨烯研究熱潮，并不斷取得新的研究成果?？茖W(xué)家研究證實(shí)，石墨烯是目前世界上已知的強(qiáng)度最高和質(zhì)量最輕的材料，石墨烯片材可用于超輕質(zhì)飛機(jī)、紅外導(dǎo)引頭、激光武器、光電探測(cè)裝備、超輕便防彈衣等研發(fā)應(yīng)用，甚至可用于保護(hù)航天器免遭空間碎片的破壞，在軍事航天、軍用能源、軍用發(fā)動(dòng)機(jī)以及核武器開發(fā)、海水淡化、裝甲防護(hù)、極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)及柔性顯示等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

實(shí)驗(yàn)室里走出的“多面嬌娃”

石墨烯雖然一度被科學(xué)家認(rèn)為不可能在有限溫度下單獨(dú)穩(wěn)定存在，然而它的誕生就像是“捅破一層窗戶紙”――實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家通過一種簡(jiǎn)單易行的機(jī)械剝離法，從石墨表面剝離出石墨片，然后把石墨片兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶將其一分為二，如此重復(fù)操作，就使石墨片變得越來越薄，直到最后“撕”成由一層碳原子構(gòu)成的薄片，石墨烯就這樣誕生了。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)功夫?！?/p>

由于石墨烯是由一層碳原子構(gòu)成，因此它又被稱為單層石墨，其原子排列與石墨的單原子層相同，是一個(gè)按六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)排列形成的二維平面晶體。從廣義上來說，層數(shù)小于10層的石墨都可稱為石墨烯。

石墨烯如同是一個(gè)“多面嬌娃”，具有一般材料所不具備的眾多優(yōu)異性能，它占據(jù)著太多的材料世界“之最”。它的理論厚度只有0.34納米，僅為頭發(fā)絲的20萬分之一，是目前世界上最薄的材料；1毫米的石墨薄片，居然能剝離出多達(dá)300萬片石墨烯，1克石墨烯可以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)，它是目前世界上最輕便的材料；它的強(qiáng)度為優(yōu)質(zhì)鋼的200倍、鉆石的2倍，毫無疑問，它是目前世界上強(qiáng)度最優(yōu)的材料，如果把一片像食品保鮮膜一樣的石墨烯覆蓋在一只杯子上，想用一支鉛筆戳穿它，需要一頭大象的重量壓在鉛筆上。

在石墨烯內(nèi)，碳原子就像細(xì)鐵絲網(wǎng)圍欄一樣排列，其對(duì)可見光的吸收只有2.3%，近乎是透明的。這種結(jié)構(gòu)也使得它十分柔韌，即便大角度彎曲也不會(huì)斷裂，因此它是最柔韌的材料。此外，它還具有電阻率最低、熱導(dǎo)率最高、吸附性很好、過濾性很強(qiáng)等其它材料望塵莫及的優(yōu)越性能。

正是因?yàn)槭碛蟹峭话愕纳衿嫣匦?，科學(xué)家預(yù)言它將徹底改變21世紀(jì)，有望掀起現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域一場(chǎng)新的革命。

“石墨烯+”引發(fā)產(chǎn)業(yè)變革

這種用膠帶“撕”出來的小小的石墨烯，在帶給兩位科學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)榮譽(yù)的同時(shí)，迅速在世界上激起了巨大波瀾，引發(fā)了全球的研發(fā)熱潮，近年來在許多領(lǐng)域催發(fā)出突破性的進(jìn)展，很多神奇特性不斷被發(fā)現(xiàn)，作用機(jī)理不斷被破解，應(yīng)用潛力不斷被挖掘，由此引發(fā)了一場(chǎng)“石墨烯+”的產(chǎn)業(yè)變革。

石墨烯誕生于石墨，儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，它獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)和諸多物理、化學(xué)、生物學(xué)等特性，使它迅速呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其研發(fā)成果已開始進(jìn)入人們的生活。

科研人員運(yùn)用石墨烯的超大比表面積和優(yōu)越導(dǎo)電特性，研制的多種基于石墨烯的儲(chǔ)能設(shè)備已相繼問世，突破了現(xiàn)有電池容量小、充電時(shí)間長的瓶頸。2011年11月，美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種采用石墨烯和硅材質(zhì)的電動(dòng)汽車電池，充電量比以前增加了十倍，充電15分鐘可以實(shí)現(xiàn)約一周的續(xù)航能力。

2014年2月，我國中科院金屬所研發(fā)出一種石墨烯鋰硫電池，儲(chǔ)電能力達(dá)到目前鋰電池18倍以上，與目前電動(dòng)汽車的電池相比，電池重量下降90%以上，一次充電不超過10分鐘，巡航里程超過450公里，每公里成本下降4/5，電池壽命超過30年。這些新型電池不僅在民用領(lǐng)域大有作為，在各種軍用設(shè)備特別是無人飛機(jī)、單兵攜帶電源方面發(fā)揮重要作用。

石墨烯超薄、超輕、超強(qiáng)、超韌性、超過濾性和超透光性等特點(diǎn)，是研制輕型戰(zhàn)機(jī)、航天器、激光武器、核武器和維護(hù)保障等裝備的重要材料，也可用防彈衣、裝甲車輛、防御工事等新型高性能軍事裝備，在減輕重量的同時(shí)提高其防護(hù)能力。

伴隨石墨烯衍生技術(shù)的迅猛發(fā)展，由其制造出的超高頻率晶體管以及柔性觸摸屏正方興未艾。前者可用于支撐起更加安全隱蔽的極高頻軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，后者則是能夠像衣服一樣柔軟地穿戴在身上。這種以前在科幻片中看到的場(chǎng)景，今后很可能成為現(xiàn)實(shí)。

未來依舊任重道遠(yuǎn)

石墨烯問世以來，其理論研究與應(yīng)用開發(fā)不斷取得進(jìn)展，下游應(yīng)用領(lǐng)域巨大的行業(yè)需求更為整個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈提供了充足的發(fā)展空間。

然而，石墨烯與其它新生事物一樣，其技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化也不可能一帆風(fēng)順。盡管目前一部分技術(shù)要求較低的石墨烯產(chǎn)品相繼問世，但受限于制備技術(shù)與工藝，那些依賴于高純度石墨烯的產(chǎn)品，可能需要幾年甚至數(shù)十年才能開發(fā)出來。因?yàn)?，這一“神奇”材料仍有許多未能克服的技術(shù)困難，比如石墨烯的規(guī)模化制備、大尺寸石墨烯的工藝創(chuàng)新、石墨烯的化學(xué)改性或改良、石墨烯復(fù)合材料的加工等等。正如石墨烯的發(fā)現(xiàn)者所言，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。只有人類共同努力，積極克服所有這些困難和障礙，石墨烯的很多應(yīng)用才能夢(mèng)想成真，才能發(fā)揮出更大的潛能，從而真正成為改變世界的一種“萬能”材料，并對(duì)國防和軍事產(chǎn)生革命性的影響。

令人欣喜的是，目前，美國加州理工學(xué)院科研人員開發(fā)出一種在室溫下制備石墨烯的全新技術(shù)，中國科學(xué)家也發(fā)明了一種石墨烯的快速制備方法，使石墨烯的商業(yè)化進(jìn)程向前邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

（作者：王群，來源：國防科技大學(xué)“科普中國”共建基地）

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