石墨烯到底是什么？有了它手机充电有望“秒充”

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浙江大学用石墨烯制成的“碳海绵”非常轻，很容易被玻璃棒上的静电吸附。

龙浩照片

在国际上，剑桥大学和其他机构的研究人员报告说，他们发现了一种“唤醒”石墨烯超导性的新方法，“唤醒”的石墨烯可以用来制造超级计算机。不久前，清华大学的研究团队发布了一项“智能石墨烯人工喉”的发明，利用多孔石墨烯材料的优势制造出一种适合佩戴的集成声学装置，有望在未来解决聋人的“说话”问题。

石墨烯是目前最热门的新材料。在空航空领域，人们用“稀有元素”来形容轻如空、硬如钢铁的完美材料。以前，钛合金被认为是这种品质的理想选择，而石墨烯，一颗“冉冉升起的新星”，被认为是向人类梦想的“稀有元素”更近了一步。

什么是石墨烯

目前，世界上最薄、最轻、最坚固的材料比最坚固的钢硬100倍

像钻石一样，石墨是碳的一种存在形式。不同之处在于，由于原子结构不同，钻石是地球上最坚硬的东西，而石墨是最柔软的矿物之一，通常被制成石墨棒和铅笔芯。石墨烯是从石墨材料上剥离下来的，在平面上只有一层碳原子。

可以说，石墨烯的特性之一就是薄，可以说是目前世界上最薄的材料。它只有一个原子厚，大约0.3纳米，是a4纸厚度的十万倍，头发厚度的十万倍。同时，它能导电，电子在石墨烯中的运动速度达到1000千米/秒，是光速的1/300。重量轻、坚韧、导电和导热……石墨烯给了人们很多想象力，空.

中国电子55分公司微波毫米波单片集成与模块化电路重点实验室副主任孔博士表示，石墨烯的硬度非常强，是目前最强钢的100倍；石墨烯的电子运行速度也很高，是硅的10倍，非常适合开发下一代超高频电子器件。此外，石墨烯是热传导的大师，它比最导热的金属银强10倍。

石墨烯的特性也非常有趣。例如，当一滴水在石墨烯表面滚动时，石墨烯可以敏锐地“感知”细微的运动并产生持续的电流。这一特性为科学家提供了从水流中获取电能的新思路。

“石墨烯可以感应单个电子，石墨烯表面带电粒子的运动可以引起石墨烯中电子的快速运动，实现感应和发电过程。”浙江大学信息与电子工程学院副教授林表示，石墨烯的这一特性可以用于能源和电子传感的许多方面，比如在雨天用涂有石墨烯的雨伞发电，或者制作敏感的传感器件。

正是这些综合性能吸引了石墨烯前所未有的关注。有些人甚至开始预言石墨烯的出现将引发一场由材料进步引发的工业革命。

如何获得石墨烯

这是世界上第一次获得单层石墨烯，并用透明粘合剂“粘合”

人们第一次得到石墨烯，用的是一种“简单粗暴”的方法。

石墨烯本身存在于自然界中。石墨烯是一个碳原子薄片，其中原子之间形成一个六边形环，这些环连接在一起形成一个蜂窝状平面。它是层层叠叠的石墨。厚度为1毫米的石墨含有大约300万层石墨烯。铅笔轻轻划过纸张，留下的痕迹可能是几层到几十层石墨烯。以前，碳的这种二维结构一直存在于人们的猜想中，但很难剥离单层结构。关键问题是如何将石墨分层成非常薄的薄片。

许多人在学生时代都有同样的经历。当他们在纸上写错别字时，他们会用透明胶带把它们粘起来。但是没有人认为这是一个如此简单的方法，以至于人们发现了神秘的石墨烯。

简单地说，要制造石墨烯，石墨应该变薄，不是通过切割，不是通过研磨，而是通过粘贴。2004年，英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃塞洛夫(Heim and Novoselov)用透明粘合剂反复粘贴和撕开石墨片，石墨片的厚度逐渐减小，最终形成厚度仅为0.335纳米的石墨烯，即原子厚度的石墨烯。这是世界上首次获得单层石墨烯，因此两名科学家获得了2010年诺贝尔物理学奖。

中国电力公司微波毫米波单片集成与模块化电路55个重点实验室高级工程师吴云博士向记者演示。他在胶带上粘了一小块石墨，然后把它撕成两半。粘贴半小时后，胶带被灰色石墨覆盖，然后石墨用胶带转移到干净的硅片上。

吴云说，此时还看不到石墨烯，因为石墨烯不仅很薄，而且透光率超过97%，几乎是完全透明的，肉眼是看不见的。要找到它，需要特殊的技术手段。然而，这已经是一个多层石墨片。只有通过技术手段定位和确定层数，才能最终找到单层石墨烯。

专家表示，这只是生产石墨烯的最初方法。机械剥离法是从胶带法发展而来的，只是实验室制备石墨烯的一种方法。目前，随着技术的发展，可以生产出更多高质量的石墨烯。

石墨烯会带来什么

使用石墨烯材料，手机屏幕可以很容易地弯曲甚至折叠

石墨烯的出现有望给我们的生活带来惊喜。手机可以在几秒钟内充电，手机屏幕可以很容易弯曲甚至折叠。石墨烯导静电轮胎可用于汽车，以避免摩擦起电引起的爆燃...从空航空航天、电子信息到节能环保，许多领域都有可能因石墨烯的特性而发生巨大变化。

用石墨烯代替硅可以提高电子芯片的性能。目前，研究人员正在将石墨烯的生产和应用引入半导体行业，石墨烯引发的技术革命很可能从我们常见的小芯片开始。

电子芯片的基本材料是硅。然而，随着芯片上元件密度的增加，顶部芯片上两个元件之间的距离小于10纳米，几乎达到了硅材料的极限。如果我想继续提高我的表现，我应该怎么做？研究人员开始尝试用石墨烯部分取代硅。

“从理论上讲，石墨烯制成的器件的频率可以是硅的十倍甚至数百倍，这种材料可以应用于雷达，大大提高雷达的分辨率。它在通信和成像领域有着广泛的应用。”孔月婵说，而且，目前石墨烯R&D的生产设备和普通半导体设备的生产设备是一样的，现有的技术开发可以基于成熟的设备和技术，这为后续的工程研发奠定了基础。

研究人员仍在做另一件大事。他们将石墨烯附着在只有50纳米厚的金箔上，然后用一种新方法将石墨烯完全转移到柔软的塑料片上。

孔月婵表示，石墨烯可以通过灵活的方法转移到科研人员想要的任何衬底上，如电子器件专用塑料衬底，这种衬底灵活，适合晶体管的制造工艺。通过特殊的石墨烯转移技术，将带有石墨烯的金箔附着在塑料片上，在塑料片上制备具有一定功能的电子器件。最重要的是，这种电子设备很容易弯曲。将来，无论是可折叠显示屏还是可植入人体的可穿戴设备，都可以通过这种石墨烯器件来实现。

石墨烯的另一个备受期待的应用领域是电能存储。天津电力研究所的研究人员正在对最先进的电容器进行研究。电容器和电池一样，可以用来储存电能。它的优点在于充电速度快，可以在几分钟内充满电，可以重复使用几万次。但是它储存的电不如电池多，而且它不能通过储存足够的电在生活中得到很好的利用。

“这是我们已经制作的由改性石墨烯制成的浆糊。接下来，我们将通过涂布机将这些浆料涂布到铝箔上，并将其用作石墨烯电容器的正极。”18个国防科技重点实验室的执行副主任丁飞博士说，电容器材料对电容器的性能有着至关重要的影响。通过对石墨烯材料的进一步修饰，研究人员正在逐步使电容器的存储容量接近电池，同时其超快的充电速度可以给人们的生活带来更多的便利。“我们正在制造的改性石墨烯电容器可以在几分钟内填充，一段时间后，其能量密度预计将接近现有锂电池的能量密度。”

能量密度是指具有一定空或质量的物质所储存的能量。能量密度越高，物质的储能能力越强。据丁飞介绍，他们研制的改性石墨烯电容器样品的能量密度已经达到传统电容器的三倍以上。虽然仍处于实验室研究阶段，但石墨烯材料的强大功能使R&D团队看到了改性石墨烯电容器的广阔应用前景。

将来，当充电设施越来越完善时，电动汽车将使用石墨烯电池，这可能需要两到三分钟来完全充电。

中国电力55研究所所长、微波毫米波单片集成与模块化电路重点实验室主任高涛认为，即使在实验室条件下，石墨烯的神奇特性仍未完全释放出来。与此同时，在技术层面仍有许多挑战，大规模应用还有很长的路要走。然而，通过加强需求和研究的结合，石墨烯材料的制备和器件开发取得了重要突破。石墨烯，新一代战略性新兴材料，将极大地改变人们的生活。

《人民日报》(2017年3月27日，第20版)

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来源：搜狐微门户