石墨烯柔性透明鍵盤 新華社發(fā)
石墨烯發(fā)熱羽絨馬甲和石墨烯發(fā)熱圍巾。新華社發(fā)
6月6日是國際石墨烯日。在這一天,關(guān)于石墨烯的研究與應(yīng)用再次成為科學(xué)界討論的熱點(diǎn)。作為目前世界上已知最薄、最強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最高的一種新型納米材料,石墨烯的發(fā)展前景被眾多科學(xué)家所看好,石墨烯也因此被稱為“黑金”。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克所說,石墨烯可能是唯一一個(gè)從量子理論到應(yīng)用的實(shí)例。
石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的?應(yīng)用前景如何?從研究到應(yīng)用,我們還要越過哪些障礙?
1、發(fā)現(xiàn)石墨烯:顛覆了物理學(xué)界傳統(tǒng)思維定式
我們經(jīng)常談及的“石墨烯”,究竟是什么?
“石墨跟石墨烯只有一字之差,實(shí)際上,嚴(yán)格意義上的石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來,壘到足夠厚就可以得到石墨。而把石墨一層一層地剝下來,剝出的單層就是石墨烯?!备鶕?jù)北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授彭海琳的描述,石墨烯就是一種純碳材料,百分之百的碳材料,是具有代表性的二維材料,其形狀表現(xiàn)為碳原子構(gòu)成的蜂窩狀、六角形結(jié)構(gòu)的二維平面。
石墨烯曾一度被認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu),無法單獨(dú)穩(wěn)定存在。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員趙揚(yáng)介紹,改變發(fā)生在2004年,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等人首次成功利用微機(jī)械剝離法從石墨中分離得到石墨烯,顛覆了物理學(xué)界“二維原子晶體不可能在有限溫度下穩(wěn)定存在”的傳統(tǒng)思維定式,兩人也因“二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
“雖然這次發(fā)現(xiàn)意義非凡,但其采用的制備方法卻很簡單——利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨,把有黏性的一面對(duì)折,再把膠帶撕開,石墨薄片就會(huì)被一分為二?!迸砗A崭嬖V記者,不斷重復(fù)這個(gè)解離過程,石墨片就會(huì)越來越薄,最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯。當(dāng)然,現(xiàn)在制備石墨烯的方法更多了——經(jīng)過數(shù)年發(fā)展,科研人員發(fā)現(xiàn)了更多制備石墨烯的方法,這種新材料由此進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域。
2、探索石墨烯:很大程度改變?nèi)祟惿?
石墨烯,能用來干什么?
“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性最好的納米材料,幾乎完全透明,具有很大的應(yīng)用前景,可以應(yīng)用到儲(chǔ)能、醫(yī)療、電子等各個(gè)領(lǐng)域?!壁w揚(yáng)舉例說,石墨烯由于其高導(dǎo)電性、良好的電容性能和散熱性能等,被廣泛應(yīng)用于電容器、電池的電極材料中。其高導(dǎo)電性還尤其適合于高頻電路,因此石墨烯有望成為硅的替代品,進(jìn)而提升未來計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度,減少能耗。
南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授蔡衛(wèi)補(bǔ)充說,石墨烯能替代活性炭等,提高儲(chǔ)能器件的容量與效率?!笆?fù)合材料有望取代傳統(tǒng)的碳纖維,用于制造更加輕型的飛機(jī)和航天器等。具體到光學(xué)領(lǐng)域,石墨烯目前的應(yīng)用方向包括柔性透明電極、光伏器件、光源、光探測器、超快激光器、光頻轉(zhuǎn)換器及太赫茲器件等?!?
“更值得一提的是,石墨烯可以用來做柔性觸摸屏、觸控屏。目前,市場上一般是用ITO(氧化銦錫)玻璃做觸摸屏,ITO玻璃比較脆,不能來回彎折。而石墨烯的柔性特質(zhì)則決定其可以來回掰?!迸砗A照f。
蔡衛(wèi)表示,石墨烯的廣泛應(yīng)用將很大程度上改變我們目前的生活,提供一個(gè)信息溝通更通暢、生活更加便利及更加環(huán)保的生活環(huán)境。
3、研究石墨烯:不能囿于低端應(yīng)用,要關(guān)注未來核心技術(shù)
“目前,我們對(duì)石墨烯的研究主要集中在三個(gè)方面:一是石墨烯及其復(fù)合材料的制備與其性能研究;二是基于石墨烯的基礎(chǔ)物理研究,如量子物理、極化激元物理等;三是石墨烯光電子器件及其應(yīng)用等。”蔡衛(wèi)介紹,目前,石墨烯研究逐漸走出實(shí)驗(yàn)室,如2020年5月,華為發(fā)布的國內(nèi)首款5G平板華為MatePadPro5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術(shù),總厚度達(dá)到400微米。
但從研究到應(yīng)用,石墨烯還要越過諸多障礙。
趙揚(yáng)說,“現(xiàn)階段,若想將石墨烯直接應(yīng)用到實(shí)際還存在一些困難,主要原因在于石墨烯的生產(chǎn)工藝還不太成熟,導(dǎo)致石墨烯價(jià)格較高、質(zhì)量差、產(chǎn)量少。雖然很多公司的產(chǎn)業(yè)化正在緊鑼密鼓進(jìn)行,部分石墨烯產(chǎn)品也已推向市場,但石墨烯還無法滿足高質(zhì)量生產(chǎn)和大批量應(yīng)用的需求?!?
彭海琳從國內(nèi)實(shí)際情況出發(fā),給記者列舉了一系列數(shù)字——據(jù)統(tǒng)計(jì),從2011年起,我國關(guān)于石墨烯的文章數(shù)量已經(jīng)位居世界第一,接近六萬篇,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第二名美國的兩萬多篇;我國申請(qǐng)的石墨烯專利占了全球的54%以上,也是遙遙領(lǐng)先。目前,我國涉及石墨烯業(yè)務(wù)的公司已超5000家,并且呈現(xiàn)迅速增加之勢。
但數(shù)字背后也隱藏著危機(jī)?!拔覈┭芯颗c國外不完全在一個(gè)頻道上。”彭海琳坦陳,“我們更關(guān)注馬上能賺到錢的商品。我們有七百多家石墨烯涂料企業(yè),還有眾多的石墨烯電熱器和大健康企業(yè),以及越來越多的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯襪子、石墨烯護(hù)腰、石墨烯口罩等。反觀國外,他們更多關(guān)注的是未來,是石墨烯核心技術(shù)和高大上的產(chǎn)品開發(fā),如柔性石墨烯電子器件、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫茲探測器等各類傳感器、石墨烯分離膜及海水淡化技術(shù)等。顯而易見,這些東西不可能立即變現(xiàn),不能期待幾年之內(nèi)就有多么大的產(chǎn)業(yè),但它們可能代表石墨烯材料與器件的未來方向?!?
這樣的觀點(diǎn)值得注意。北京石墨烯研究院院長、中國科學(xué)院院士劉忠范就曾多次指出,我國的石墨烯研究仍處在產(chǎn)業(yè)化前夜,至多是起步階段,我們不能過于急功近利,既要關(guān)注今天的產(chǎn)品,更要關(guān)注未來的核心技術(shù)。只有擁有這些核心技術(shù),才能擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來。
4、應(yīng)用石墨烯:更廣泛的應(yīng)用將把人類帶入“碳時(shí)代”
發(fā)展石墨烯,前路在哪?
“未來,石墨烯應(yīng)該朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,其用途可體現(xiàn)在可穿戴的智能化手機(jī)手表、電動(dòng)汽車等設(shè)備的電池電極材料、軍用防彈衣、航空裝置的機(jī)械保護(hù)材料,以及一些柔性電子顯示屏和電子元件等方面?!壁w揚(yáng)認(rèn)為。
蔡衛(wèi)表示,從更長遠(yuǎn)的發(fā)展來看,石墨烯要推動(dòng)基礎(chǔ)物理的發(fā)展,目前石墨烯已推動(dòng)整個(gè)二維材料領(lǐng)域的發(fā)展,為探索范德瓦爾斯二維異質(zhì)材料的基礎(chǔ)物理與應(yīng)用提供了可能,如轉(zhuǎn)角雙層石墨烯可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、石墨烯中的元激發(fā)能實(shí)現(xiàn)極端強(qiáng)的光—物質(zhì)相互作用等?!爱?dāng)然,石墨烯要在新場景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。如基于石墨烯的超靈敏光探測器可應(yīng)用在航空航天、無人駕駛、生物檢測等領(lǐng)域,又如石墨烯與其他二維材料或者現(xiàn)有硅基納米系統(tǒng)集成,出現(xiàn)在6G通訊器件中等?!?
“劉忠范院士曾給石墨烯材料勾畫了三種前途。第一種前途類似于碳纖維材料,在某些領(lǐng)域找到不可或缺的用途,成為“撒手锏”級(jí)的應(yīng)用。第二種前途類似于塑料,一百年前人們發(fā)明塑料,極大便利了人類生活,已經(jīng)滲透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有這種潛質(zhì),在未來也可能像塑料一樣進(jìn)入我們的日常生活。第三種前途類似于硅材料。沒有硅材料,就沒有集成電路,自然也就無法進(jìn)入信息化時(shí)代。甚至可以講,我們現(xiàn)在生活在‘硅時(shí)代’。完美的石墨烯材料擁有遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料的光學(xué)和電學(xué)等特性,可用來制造未來的信息器件?!迸砗A毡硎?,首先需要解決的是石墨烯材料的制備問題,在未來,高質(zhì)量石墨烯材料可以考慮先和傳統(tǒng)硅技術(shù)結(jié)合或融合發(fā)展,最終找到“殺手锏”級(jí)用途,有可能替代硅基材料,制造“碳基電子器件及集成電路”,從而把人類帶入“碳時(shí)代”。
(編輯:映雪)