《石墨烯：改变世界的新材料》读后感

　　成型1601乔伟琦

　　摘要：本书涉及石墨烯的方方面面――历史、基本特征、生产方式以及应用等。本书为从事石墨烯应用行业的读者们提供了学习途径。石墨烯的研究领域宽泛且发展迅猛，此书为读者提供的知识足以使其在石墨烯的研发与应用领域探索前行。

　　一、本书内容

　　（一）石墨烯的历史

　　最初，科学家试着使用化学剥离法来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长于各种各样的基板上，但初期品质并不优良。于2004年，英国曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两个物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨烯薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成――他们制得了石墨烯。当然，仅仅制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣中，很难紧贴在基板上；所以要找到相当数量的石墨烯，犹如大海捞针。甚至在范围小到1cm2的区域内，使用尖端科技都无法找到。海姆的秘诀是，如果将石磨烯放置在镀有一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。于2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。从那时起，上百位才学兼优的研究者踏进这一崭新领域。现在，众所皆知，每当石墨被刮磨时，像用铅笔画线时，就会有微小石墨烯碎片被制成，同时也会产生一大堆残渣。在2004/05年以前，没有人注意到这些残渣碎片有什么用处，因此，石墨烯的发现应该归功于海姆团队，他们为固体物理学发掘了一颗闪亮的新星。

　　（二）石墨烯的基本特性

　　石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为"载荷子"的性质和相对论中的中微子非常相似。为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是0到1之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学做出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。另外，研究也发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为"太空电梯"超韧缆线的制造打开了一扇"阿里巴巴"之门，让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯可能成为现实。石墨烯还具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学强度最高的材料，并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。另外，石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。

　　（三）石墨烯应用前景

　　1.最有希望从幻想成为现实的应用是可用于手机等装置的柔性电子屏幕。因其电子化学稳定性能以及柔性和透明的特点，石墨烯是最适合制造共扼聚合物发光电池的材料。该技术已获得了初步成功并很快能面向市场。电子巨头三星是众多对该技术感兴趣的公司之一，苹果公司也期望能分一杯羹，但其速度似乎落后于三星。与仅拥有两项专利的苹果相比，三星拥有38项与石墨烯相关的专利技术。在这之前，苹果己经通过使用锢锡氧化物来制造第一款触屏手机。

　　2.另一项可能的未来应用是制造具备超高机械强度的石墨烯复合材料，用于建筑物、汽车、轮船、渔船、飞机、宇宙飞船及机器人等。如此一来，加来道雄表示石墨烯将改变我们的生活方式的说辞便不足为怪了。

　　3.另一项未来应用似乎可替代传统的、通过与空气产生共振而发出声音的扬声器。人们发现通过加热处理，石墨烯也能实现相同的功能。因其超薄的特性，石墨烯几乎无需电流便可轻易地产生声波，从而生产出高保真音频扬声器。

　　二、知识拓展

　　（一）石墨烯的发展

　　由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值，美国、欧盟、日本和中国等80多个国家皆将石墨烯材料的发展提高到战略高度，相继投入数十亿美元用于石墨烯材料的研究和开发。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个"未来新兴技术旗舰项目"之一。美国将石墨烯视为支撑未来科技发展的战略性产业。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局，据统计，全球有近300家公司涉足石墨烯相关的研究和开发，其中包括IBM、杜邦、洛克希德・马丁、波音、三星、陶氏化学、索尼等科技巨头。

　　（二）我国石墨烯发展现状与水平

　　我国政府高度重视石墨烯发展，工业和信息化部、发展改革委和科技部联合发布的《关键材料升级换代工程实施方案》中明确提出支持石墨烯实现批量稳定生产和规模应用。工信部专门印发了《加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。习近平主席在参观英国国家石墨烯研究院时提出："中英两国在石墨烯研究领域完全可以实现强强联合".我国石墨烯研发起步相对较晚，但2010年后发展迅速，整体接近国外先进水平，部分领域实现了领先。在基础科研方面，全球石墨烯研究论文超过12万篇，中国占有40%,排名第一；全球专利申请总量为49229件，中国专利申请量为23953件，占比48.65%,排名第一。在石墨烯产业化方面，各级政府也在积极加快产业化步伐，石墨烯薄膜和粉体己实现量产，下游应用正稳步推进。全国石墨烯产业己形成江苏常州、浙江宁波、北京等城市为首的格局。国内江南石墨烯研究院、常州二维碳素、宁波墨西等企业成为石墨烯产业的开拓者。

　　（三）我国石墨烯产业存在的问题

　　第一个是技术问题，比如高质量、低成本、绿色制备的提纯技术，以及它的应用技术，自身的安全以及生产的环保性，这些技术都还有待进一步研究。市场问题就是它的研发落后，产业应用技术也缺乏指导，所以市场需求尚未打开。

　　第二个是石墨烯材料有一个优材低用的问题，就是在下游领域的优材低用。由于现在石墨烯产业正在蓬勃发展，但是这些应用技术门槛低，再加上我们资本市场的一个热捧，所以很多企业都纷纷涉足其中，甚至盲目地扩大产能，对目前产品的低端化、同质化的现象非常严重。能够真正体现石墨烯性能的高端应用却很少。

　　第三个是成本问题，前期的研发投入资金量大，周期长，而且石墨烯的这种制备成本，也需要进一步的降低。

　　第四个是环保问题，石墨烯的制备方法会带来一些环境的影响，造成生态的破坏能力，再加上石墨烯企业环保设施的缺失，政府监管的不到位，所以对环境保护还存在着较大的压力。

　　（四）石墨烯的发展趋势

　　1.更快的计算机芯片和宽带。生产电子器件的企业目前正朝着无限缩小其产品尺寸的方向努力。他们致力于把更多的器件放在宽度小于1nm的芯片上。而石墨烯的结晶完整性以及高于硅片的导电性正显示出可在分子水平上生产二极管和晶体管等电子设备的潜力。IBM公司己宣告其生产出晶圆级的石墨烯电路。该电路是一种利用石墨烯中的高速电子实现功能的宽带射频混合器。石墨烯的该种特性有望应用于高频手机传送中，即应用在接收器以及为基站发送信号中。IBM公司生产的石墨烯器件可在150×103MHz的频率下工作，这早己超过了目前手机使用的频率。这一结果有望拓宽手机使用的无线电频谱，增强手机连接信号。

　　2.超强防弹衣。马萨诸塞大学的研究人员表示，当子弹击中石墨烯后，石墨烯会在子弹撞击点伸长变形成圆锥状，吸收大量的子弹动能。研究人员表示，虽然有裂缝形成，但石墨烯制成的防弹背心对子弹冲击力的吸收能力是凯夫拉防弹衣的两倍多，并且承受动能的能力比钢材高10倍。由于石墨烯薄且拥有超高的机械强度，所以它是最适合制造防弹背心的材料。

　　3.石墨烯无人机。大疆创新科技有限公司是一家中国的国际化公司。该公司正开发一种多旋翼飞行器形式的石墨烯无人机，将石墨烯用于机身、机翼以及支撑架。该无人机重量轻、刚性大、电池容量大，能实现较快加载且寿命长。然而，由于石墨烯电池还未实现商业化应用，石墨烯无人机还将推迟上市。

　　三、工程案例分析

　　（一）高比强度相关领域

　　由于石墨烯比碳纳米纤维的质地更为坚硬，质量更轻，并能承受金刚石切割器的切削力，科学家正考虑将其应用于制造风力涡轮机叶片、飞轮、飞行器、运输和高功率传输线等。目前，一些利用石墨烯高强度特性的商业应用己投入生产。例如：海德网球拍系列"YouTekTMSPEED"目前己经准备上市，该网球拍的杆涂有原子厚度的碳原子层。

　　（二）高弹性相关领域

　　石墨烯具有高电子迁移率和高机械强度，这两大特性适用于制造各种类型的柔性电子线路。此外，石墨烯片也可沉积于聚合物之上作为基底，从而可低成本制造某些电子线路。(www.lieshai.com)目前，有数种装置可实时探测人体肌肉内的汞含量，但它们对汞不具有特异性，因此实时监测还有很大的进步空间。具有高敏感性和高选择性的液态离子封闭场效应晶体管型柔性石墨烯汞适体传感器得以开发。这种基于石墨烯的适体传感器探测时间小于1s.在这种装置中，石墨烯片转移至像聚合物一样的柔性基底上并可用作适体传感器。

　　（三）电力发电

　　1.燃料电池。燃料电池的种类繁多，但多是在室温下使用非反应性气体进行工作，换句话说，这些气体不会降解石墨烯，可用于研制燃料电池的电极。

　　2.太阳能电池。

　　（四）医疗领域

　　1.细胞毒性。

　　2.药物传输。

　　四、结语

　　石墨烯被誉为"神奇的材料",从纳米级的"绿色"科技到传感器，以及未来的导电涂层等方面，都具有极大的应用潜力。可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待。也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。

　　五、参考文献

　　[1] Abhilash M.; International J. of Pharma and Bio Sciences, Vol. V1（1）p. 1, 2010

　　[2] Ahn S.H. and Guo L.; J. Adv. Mater., Vol. 20, p. 2044, 2008

　　[3] Allen M.J., Tung V. C. and Kanter R. B.; Chem, Rev., Vol. 110, p. 132.2010

　　作者：玛杜丽・沙伦（Madhuri Sharon）

　　马赫斯赫瓦尔・沙伦（Maheshwar Sharon）

　　翻译：张纯辉、沈启慧

　　出版社：机械工业出版社