王虹智， 张加涛
北京理工大学材料学院结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室
一、从石墨到石墨烯
大自然赋予了我们很多东西，如浩瀚的大海，峻峭的山川，广袤的平原，蜿蜒的河流等等。我们在感叹大自然的鬼斧神工时，也时刻在运用着这些资源带给我们的生存条件，并时刻在大自然中感悟自己，陶冶情操。我们在平原种植，实现了自给自足。我们从河流中获得充足的水源，实现了水的补给和农作物的灌溉。解决了温饱问题后，我们不断地挑战自己。我们跨过一座座山川，实现了人类极限的一次又一次超越。我们在从大海中获得美味食物的同时，也体会到了其博大和宽广。然而，大自然在赐予我们生存环境的同时，也时刻在其生存法则上给予我们启示。我们通过研究植物的生存方式，发现了其体内的光合作用，并试图仿造其过程实现一些真正满足人类需求的应用。我们模仿鸟类的翅膀，实现了飞机的发明和制造，进一步改善了人类的出行方式。大自然丰富的矿产，赋予了我们丰富的材料基础，我们用其铸造起了面前的钢筋混凝土。我们利用硅材料的半导体特性，实现了智能电子设备的发明和普及。大自然无时无刻不在给予我们启发，我们也在利用这些福利改善我们的生活方式。
图1 从石墨到石墨烯，石墨烯的结构示意图，被誉为21世纪新材料之王。
碳材料，是大自然赋予我们的重要材料之一，其以丰富的姿态存在于自然各界。在常见的碳材料中，碳水化合物是生命之本，煤和木炭实现了人类最早的取暖和照明工具，石墨变成了我们手中的铅笔和机械设备的润滑工具，二氧化碳在大气中发挥着重要的作用，金刚石满足了人们对于爱和美的向往。当我们不再满足于这些基本特征的时候，这些材料被进一步的研究，并应用于实际生活中。石墨烯，就这样从石墨的片层中脱颖而出了。
图2 石墨粉末的宏观图片及其分子结构示意图
石墨，是碳元素的一种同素异形体，每一个碳原子周边连接着三个碳原子，并通过共价键结合，形成共价分子，如图2所示。石墨是一种很软的材料，用手指揉搓可以轻松将其捻开，和也就可以理解为什么我们用手在铅笔写过的纸张上蹭一蹭，手上和纸上就都会有大面积的铅笔痕迹。同时石墨具有较好的导电性和导热性，更丰富了这类材料在日常生活中的应用。然而，科学工作者并不满足于仅仅对于石墨块体的研究，随着科学的进步，向更细微精确结构材料的研究是近年来的热点。一些理论认为，将石墨剥离到单原子层的结构，有利于实现其功能的进一步提高。然而，传统物理学家认为，单层的二维材料基本不可能稳定存在于自然界中。因此，上个世纪的科研工作者只是把二维石墨烯材料作为一种理论模型进行基础科学研究，并没有实现一些实质的应用研究。机会永远留给有准备的人，留给敢于天马行空的想象的实践者。2004年，曼彻斯特大学的两位科研工作者，Andre Geim和Konstantin Novoselov，用我们日常生活中常常会用到的胶带，首次通过机械剥离技术实现了单层石墨烯的制备。当然，两位科学家在此之前尝试了无数方法剥离得到石墨烯，但均未成功，最终创造性的通过胶带完成了这一看似不可能实现的新材料研究。其剥离方法为首先将石墨片粘在胶带上，之后通过将胶带多次对折，利用胶带的粘合作用每次都将石墨层剥离开来，多次剥离后即可得到单层的石墨烯片层。石墨烯片层的剥离成功，证实了该二维结构可以稳定存在于自然界。同时其他制备方法，例如气相沉积法，氧化还原法等。两位科学家在后续的工作中，基于单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖，也被称为胶带撕出来的诺贝尔奖。
图3 曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov两位科学家以及他们报道的通过胶带的剥离技术实现石墨烯制备（图片来自网络）。
二、二维石墨烯的神奇性质
在制备得到二维碳材料后，通过进一步的科学研究，这种材料展现出了超乎想象的性能。在力学性能方面，其兼具高强度和高韧性，理论杨氏模量达到1.0 TPa，拉伸强度为130 GPa，一旦工艺成熟有可能会大幅提高现有结构材料的极限，同时对于非结构材料的应用，其耐用性也得到了保证。其电学性能更是挑战了科学界对于现有材料的认知，石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000 cm2/(V·s），这一数值超过了传统硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000 cm2/(V·s)。同时，单石墨烯片是基本透明的，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。石墨烯与其他现有材料的复合更是带来了性能的革命性提高。例如，将石墨烯与一些感光半导体材料结合，可以实现其作为探测器响应信号高达106倍的增益提高。石墨烯具有非常好的导热性，无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300 W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管。同时，石墨烯兼具石墨的很多性能特点，在润滑，发热等方面有过之无不及，从而具有丰富的应用前景。此外，石墨烯在非极性溶剂中具有更好的溶解性，表面为超疏水和超亲油。然而，基于其单层的特点，其表面易于通过其他修饰，这意味着其很容易通过化学改性实现其相容性的调控。
图4 石墨烯的神奇的性质。
三、石墨烯怎样改变世界？
基于石墨烯特殊的性质，其在生活中的应用研究也在紧锣密鼓的进行中，在逐渐的走入到人们的日常生活中。目前的石墨烯主要应用于柔性器件的设计制造，锂离子电池的应用，常用的发热衣物，润滑剂等领域。
图5 石墨烯的应用领域
由于石墨烯具有高强度和高热导率，将其与衣用纤维相复合或制备得到石墨烯纤维，从而可以实现新一代的理想纺织材料。其研究目标是兼具高强度，阻燃特性，增强防紫外线功能和一定的导热导电性。这对于功能化的穿戴应用和能源的合理利用具有重要的意义。基于其高导热性和高强度特点，石墨烯也被应用于汽车的轮胎中，有利于提高轮胎的耐用度且利于散热，具有一定的应用前景。近年来最受关注的，当属石墨烯电池。众所周知，能源问题是当今社会的重大问题，如何实现绿色能源的高效利用，对于改善人类生活具有重要的意义。对于人们日常用到的手机来说，兼顾短时间的充电和长时间的使用是人们的重要需求，该需求也同样适用于电瓶车和新能源汽车等用电领域。美国菲斯科公司报道了其豪华电动汽车采用了石墨烯固态电池，充电9分钟就能行驶208公里，满电可续航640公里，而这款电动汽车2019年就会上市。据相关人员透露，菲斯科已经可以将续航提升到800公里，并且在一分钟内充满电。当然这只是实验室数据，应用到实际还需要一些时间。部分手机厂商也报道了石墨烯聚合材料电池，能量密度是市面上锂电池的3倍以上，其使用寿命是传统锂电池的2倍，充电速度也远远快于普通锂电池。具备非常强的导电性、导热性、极高的硬度、极强的韧性。然而这类新电池的研发成本巨大，目前距离实际应用仍有一段距离。不过现在已经有一些基于石墨烯材料的锂电池面世。这种电池其本质上还是锂电池，在电池中掺杂了石墨烯材料或是使用石墨烯电极，使其具备更好的散热性、导电性，具备更快的充电速度，这也在一定程度上改善了人们的生活品质。
图6 三星公司设计的石墨烯锂离子动力电池
此外，可穿戴柔性光电器件是石墨烯未来应用的重要的发展方向。其于半导体材料的功能耦合作用，可以充分发挥石墨烯载流子迁移率高的特点，从而带来半导体器件领域的革命性提高。目前该类研究在实验室领域已经取得了许多重要进展，在红外成像，光电探测等领域实现了相比于传统材料革命性的性能提高，其在物联网等领域具有重要的应用价值。相信其真正应用于改变人类生活方式，也只是时间问题。
图7 2017年《自然光学》杂志报道了石墨烯-量子点复合红外成像器件。
石墨烯材料来源于自然，并终将服务于世界。石墨烯也被认为是21世纪的新材料之王，我国在世界石墨烯发展领域也有重要的布局。相信不久的将来，真正的中国智造石墨烯电池，石墨烯芯片将进一步改善我们的生活。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
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