2010年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，兩位最早發現并揭示石墨烯獨特性質的科學家獲得當年諾貝爾物理學獎。石墨烯從此進入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的新星。

　　石墨烯不是一種天然存在的材料。人們常見的石墨是由可以機械剝離的石墨片組成。由于石墨片層與層之間作用力較弱，當石墨被剝離至單層，僅有一個碳原子的厚度時，這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結構的二維材料，看上去近似一張六邊形網格構成的平面。

　　在材料大家族中，石墨烯只是個晚輩。2004年，海姆和諾沃肖洛夫領導的研究小組，將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開膠帶，石墨片就被減薄，一分為二。如此反復操作，薄片越來越薄，最終在顯微鏡下發現了石墨烯。人們發現，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

　　石墨烯的發現及其獨特性質刺激了全球研究者的神經，更有人將其稱之為改變21世紀的材料。

　　性能超強

　　石墨烯具有非凡的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極佳的透光特性

　　石墨烯具有完美的二維平面結構，它蘊含的豐富而新奇物理現象的奧秘就來源于此。

　　石墨烯擁有完美的對稱正六邊形結構，非常穩定，而且各個碳原子之間的連接很柔韌，即使受到外力沖擊，也可以通過彎曲變形來維持穩定。

　　這一獨特結構使石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優質品質。據測試，它是迄今為止自然界中最強的二維材料，強度通常為普通鋼材料的數十倍。有人曾測算，一塊1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的貓，而該吊床的重量僅為0.77毫克，比貓的腮須還輕，肉眼根本看不到。

　　最讓科學界矚目的，是它超強的導電性能。中國科學院半導體研究所研究員譚平恒介紹，石墨烯具有獨特的線性電子能帶結構，其傳導電子是無質量的狄拉克費米子。電子在石墨烯中運動幾乎沒有阻力，遷移速度極快，是世上已知的電阻率最小的材料。因為這一特點，石墨烯被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

　　石墨烯還有優異的室溫導熱性和透光性。它的導熱性能優于碳納米管和金剛石，且幾乎完全透明，只吸收2.3%的光。透明、良好的導電特性，使它極適合制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

　　2010年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，兩位最早發現并揭示石墨烯獨特性質的科學家獲得當年諾貝爾物理學獎。石墨烯從此進入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的新星。

　　石墨烯不是一種天然存在的材料。人們常見的石墨是由可以機械剝離的石墨片組成。由于石墨片層與層之間作用力較弱，當石墨被剝離至單層，僅有一個碳原子的厚度時，這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結構的二維材料，看上去近似一張六邊形網格構成的平面。

　　在材料大家族中，石墨烯只是個晚輩。2004年，海姆和諾沃肖洛夫領導的研究小組，將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開膠帶，石墨片就被減薄，一分為二。如此反復操作，薄片越來越薄，最終在顯微鏡下發現了石墨烯。人們發現，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

　　石墨烯的發現及其獨特性質刺激了全球研究者的神經，更有人將其稱之為改變21世紀的材料。

　　性能超強

　　石墨烯具有非凡的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極佳的透光特性

　　石墨烯具有完美的二維平面結構，它蘊含的豐富而新奇物理現象的奧秘就來源于此。

　　石墨烯擁有完美的對稱正六邊形結構，非常穩定，而且各個碳原子之間的連接很柔韌，即使受到外力沖擊，也可以通過彎曲變形來維持穩定。

　　這一獨特結構使石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優質品質。據測試，它是迄今為止自然界中最強的二維材料，強度通常為普通鋼材料的數十倍。有人曾測算，一塊1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的貓，而該吊床的重量僅為0.77毫克，比貓的腮須還輕，肉眼根本看不到。

　　最讓科學界矚目的，是它超強的導電性能。中國科學院半導體研究所研究員譚平恒介紹，石墨烯具有獨特的線性電子能帶結構，其傳導電子是無質量的狄拉克費米子。電子在石墨烯中運動幾乎沒有阻力，遷移速度極快，是世上已知的電阻率最小的材料。因為這一特點，石墨烯被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

　　石墨烯還有優異的室溫導熱性和透光性。它的導熱性能優于碳納米管和金剛石，且幾乎完全透明，只吸收2.3%的光。透明、良好的導電特性，使它極適合制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

　　應用廣闊

　　在電子、航天軍工、新能源等領域有廣泛的應用潛力，有望引發現代電子科技新革命

　　石墨烯出道雖短，但其高強度、高導電性、極輕薄等優勢，使產業界迅速嗅到了其在電子、航天軍工、生物、新能源、半導體等領域可能的應用潛力。

　　目前的電子器件工業中，硅是主流的材料，而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中國科學院物理研究所研究員、中國科學院院士高鴻鈞表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實現產業化的領域，成為國際上的研究熱點和競爭焦點。

　　韓國三星公司是石墨烯研究的最大投資者之一。2010年，韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。這是石墨烯在柔性電子應用上的首次成功嘗試。

　　高鴻鈞說，三星公司的成果展示了石墨烯在未來柔性電子上廣泛應用的可能性，很大程度上影響了當年諾貝爾物理學獎的歸屬。

　　在能源領域，石墨烯有望在超級電容器和鋰離子電池發展上一展抱負。超級電容器是一個高效存儲和傳遞能量的體系，而石墨烯擁有大的比表面積、規范的多孔結構、高電導率和熱穩定性，使其成為最有潛力的電極材料。據悉，美國科學家在今年上半年研發出一種以石墨烯技術為基礎的“超級電容器，其充電速率遠高于普通電池，一部iPhone手機充滿電僅需5秒鐘。而用石墨烯制備的鋰離子電池，在增加電極儲能的同時，可以減少鋰離子的擴散距離，提高鋰電池的充放電效率和穩定性。

　　石墨烯在食品加工等生物領域也有用武之地。科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損，人們可以利用這一特點做繃帶、食品包裝等。

　　產業瓶頸

　　如何大規模制備高質量、大尺寸、低成本的石墨烯是產業化亟待解決的問題

　　盡管科學界的石墨烯研究迅速推進，也吸引了投資和關注，但研究者對其產業化仍持謹慎態度。

　　譚平恒說，有關石墨烯的眾多應用研究目前多數還處于實驗室階段，它的神奇性能能否完全在應用上顯現，還需科學家進一步分析和測試。

　　產業界多數企業還處于嘗試性探索階段。一個重要瓶頸是，產業化所需的高質量、大尺寸、低成本的石墨烯制備方式并不成熟。

　　諾獎獲得者海姆和諾沃肖洛夫得到石墨烯的方式，被稱之為微機械剝離法，這一方式至今仍是實驗室獲取石墨烯進行基礎研究的重要手段。譚平恒說，該方法得到的石墨烯質量高，但尺寸較小，且極費人工、成本很高。在石墨烯研究初期，微機械剝離制備的1平方微米石墨烯的價格甚至達到一歐元左右。

　　其它方法，如化學氣相沉積法，雖然可以制備出大面積的石墨烯，但質量仍有待提高，且工藝較為復雜；溶劑剝離法可以實現石墨烯的大批量制備，但含有較多的缺陷。

　　2009年，高鴻鈞團隊在金屬釕單晶表面獲得高質量大面積的單晶石墨烯材料，取得了制備法的重大突破。但高鴻鈞認為，石墨烯并不能取代硅，在某些方面，或許可以取代硅的部分功能。他說，硅材料發展已有數十年歷史，應用成熟，不是一個新材料在短時間內可以替代或超越的。

　　譚平恒說，上世紀90年代，碳納米管憑借其優異的光電性能，成為碳納米材料家族的明星，正是因為其規模化工業應用的困難，一直沒能達到人們的期望。

　　在石墨烯的某些應用中，需要將其轉移到合適的襯底上，而與襯底的相互作用可能會造成石墨烯性能的部分改變。

　　“石墨烯要實現產業化應用，不僅要解決如何制備出高質量和大面積的材料，還需要解決石墨烯在器件集成方面的一些關鍵問題。譚平恒說，當前兩者均沒有得到很好的解決。

　　新聞鏈接

　　國外產業化介入較早

　　我國應用相對薄弱

　　中國科學院物理研究所研究員、中國科學院院士高鴻鈞介紹，對石墨烯的研究，我國起步雖相對較晚，研究跟進卻很快。據統計，我國在國際權威期刊上發表的與石墨烯相關論文已經居世界第一。

　　“但我們存在兩個不足。首先，雖然研究群體大、成果多，但突出性、原創性成果較少，我們采用他人成熟的方法，始終處于落后位置，重大創新十分有限，因此要在材料制備方法上尋求突破；此外，主要集中在基礎研究，產業應用相對薄弱。高鴻鈞說，歐洲、美國、韓國等國企業介入比較早，成果應用轉化也走在世界前列。

　　據介紹，歐盟委員會今年初宣布，神奇的材料石墨烯研究被列入未來新興技術旗艦項目，未來10年內將分別獲得10億歐元的經費。

　　該旗艦項目的使命，是讓石墨烯從實驗室走向社會，促進經濟增長并創造新就業，吸引了包括海姆和諾沃肖洛夫在內的三位諾貝爾獎獲得者，以石墨烯的制備為核心，重點關注在信息通訊技術和交通等領域的應用。

　　韓國三星公司的研究人員已經制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。2012至2018年間，韓國原知識經濟部預計將向石墨烯領域提供2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術研發，1.26億美元用于石墨烯商業化應用研究。

　　數據顯示，2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片，產值超過130億美元。到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片。這都為石墨烯的應用提供了誘人前景。

　　2011年，美國IBM已經研制出了世界首款由石墨烯圓片制成的集成電路，把石墨烯計算機芯片推進了一大步。

　　高鴻均表示，我國在重視石墨烯基礎研究的同時，還需要加強石墨烯的應用基礎和產業化研究。簡單重復國外的應用研究，未來可能在專利方面受制于人。他建議，石墨烯的應用和基礎研究應該齊頭并進，不可偏廢。在進一步加深對其物理特性深入研究以獲得突出原創性成果的同時，也要加強石墨烯產業化探索方面的研究。