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“超级”材料石墨烯:距离颠覆人类社会还差哪几步?

不知道从哪时起,石墨烯这个神奇的材料开始充斥在各大科技,投资新闻板块。华为的创始人兼总裁任正非在2014年首次接受中国媒体专访时,提到石墨烯的时代将到来,并会颠覆现在的 “硅时代”;而前几日不久,一个据称能6分钟内快速充放电基于石墨烯的电池即将在本月问世。关于它各种“黑科技”的传闻也层出不穷,那么石墨烯的真面目到底是什么呢?

☞释义:

石墨烯是由一个碳原子厚度组成的六角形蜂窝晶格状薄膜,其碳原子排列与石墨的单原子层相同。简单的来说,石墨烯就是一个有着“二维结构”的石墨。虽然石墨烯和石墨可以说是同根同源,不过就是这只有一个原子厚度的二维结构,让它们有着天差地别的化学和物理性质。

首先,与柔软的石墨不同,有着平面蜂窝晶格结构的石墨烯极其坚硬,其硬度是钢的200倍以上,理论上比钻石硬度还高。石墨烯还是世界上最好的传导材料,有着比金刚石和碳纳米管更好的导热性,比铜和银更低的电阻率。于此同时,还拥有惊人的柔韧性,如果尝试拉扯一块石墨烯薄膜,它可以延展其本身长度的20%。除此之外,石墨烯凭借其0.3纳米左右的厚度成为世界上最薄的材料。

总而言之,石墨烯是现在为止世界上强度最高,热传导最好,电阻率最低,最薄,最轻,柔韧且透明的 “超级”材料。有人说石墨烯如同20世纪登场的塑料一样,拥有着颠覆整个人类社会的“基因”。

☞来历:

说道石墨烯的来历,就不得不提两个曼彻斯特大学的科学家。2004年的一个星期五,像往常一样,安德烈·海姆和他的博士生康斯坦丁·诺沃肖洛夫在他们曼彻斯特大学的物理实验室里进行“星期五实验之夜”,每当这时,他们会尝试一些和他们平时工作不同的“新鲜事物”。

当天晚上,他们尝试用塑料胶带从一大块石墨上“剥离”下一些薄片用作研究,偶然之间,他们发现有些石墨薄片明显比另外一些薄很多,通过这个不起眼的现象,一个有趣的想法突然涌入他们的脑海:“如果我们反复用胶带剥离这些石墨薄片,让这些石墨薄片不断一分为二变薄,会怎么样呢,会不会最后获得一个真正“二维”的石墨平面呢?”

其实关于这个“二维”的石墨平面的假设,早在1947年开始就有了研究,不过一直以来,物理学界普遍认为这种结构是无法单独稳定的存在的。于是他们就靠着一卷塑料胶带,一块石墨,反复地黏贴,撕开,在这看似简单的操作下,花了将近一年时间,终于在最后的样品中获得了一个碳原子厚度的石墨薄片,也是世界首个真正的“二维”材料。石墨烯的发现让安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃获得了2010年诺贝尔物理学奖。

☞石墨烯的产业化:

石墨烯的优异的物理和化学性质让人们对其未来的产业化前景充满憧憬。那么石墨烯到底有什么潜在产业化方向呢?

在众多石墨烯的产业化方向中,能源,环保,食品医药,和电子元件是最被看好的领域。

1.能源:石墨烯的极高导电性和超高的表面积对质量比让其成为超级电容及导电通道的理想材料。想象一下几十秒完全冲好一部iphone 6 的电池,几分钟冲好一辆电动车,利用了石墨烯作为的电池将可能让其变为现实。同时,石墨烯优异的弹性和特低的密度,让它在现在大部分笨重的电池产品变得更加突出。

2.吸附过滤:石墨烯是一种理想的无孔吸附剂,据麻省理工学院的实验表明,石墨烯在海水淡化领域已经超过了现在行业中最好的淡化技术。在处理环境问题如核废料,污水,石油泄漏时,石墨烯也展现出极大的潜力。石墨烯单碳原子层的特殊结构可以有效的做到气液分离,连最难阻塞的氦气也被证明可以被石墨烯过滤。作为完美的过滤装置,石墨烯制的薄膜和包装可以在最大程度的降低食品药品的气液交换,从而大幅提高保质期。

3.电子元件:石墨烯的众多特性在电子元件产业有着非常大的作用。石墨烯本身的极高传导性可以在无线电频率领域有着非常大的潜力。2014年,IBM在测试了世界上第一个多频石墨烯射频接收器和石墨烯整合电路,比上一代有了将近10000倍的性能提升。石墨烯并不只在数字电路展露锋芒,在其他新兴领域如柔性显示屏,内存,可穿戴电子设备等也是一种理想的材料。

除了以上3最火的产业外,石墨烯的潜在利用行业远远不止这些:从建筑行业的混凝土,吸附材料,到汽车工业里的润滑剂,保险杠, 再到医疗行业的药物载体和生医感测,石墨烯的巨大能量正在各行各业中可见一斑。

石墨烯材料本身的优越性的无可否认。近年来,全球科学工作者,媒体,和资本市场都对石墨烯“给予厚望”。国内也不例外,关于石墨烯的概念股如中国宝安,华丽家族等也纷纷登场。据石墨烯产业联盟最近估计,到2020年世界石墨烯产值将达1000亿元,其中超过50% 将在中国。1000亿的市场规模不禁让人感叹产业者对石墨烯的“野心”,毕竟现今石墨烯还没有出现真正规模化生产的迹象,尤其在2016年全世界石墨烯市场规模只有20亿左右(IDtechX估计),4年时间增长到1000亿的市场规模显得有点过于乐观。

☞问题:

在褪去掉资本市场,媒体等对石墨烯的炒作的光环下,石墨烯的产业化还是存在一些重要的问题。

首先就是产业化的关键:大规模生产问题,现在石墨烯虽然有很多种不同的制备方法,但是尚不能在成本和规模上找到一个完美的平衡点。现在有几种主流的制备方法:第一种就是安德烈·海姆第一次发现单层石墨烯的实验方法-机械剥离法。这种方法操作简单,设备要求低,并且出来的成品结构较为完整,但是根本无法实现大规模生产(所得成品通常在10微米到100微米之间)。另外一种化学方法为通过强酸氧化石墨的还原法,此方法的原料成本低,效率高,且可以规模化生产,不过所产出来的成品质量还有待提高。还有一种化学气相沉积法,该方法操作便捷,可控性高,可生产尺寸很大,但现阶段工艺不成熟及较高的成本限制了其规模与应用。其它方法也有各自的优缺点,总的来说,现阶段石墨烯制备的工艺水平还在探索之中。而且现在也没有一个统一的行业标准,各种厂家生产出来的产品水平参差不齐,进一步限制了石墨烯产业化进程.

其次,就算现在石墨烯的制备问题已经能完美解决,还有一个尴尬的境况摆在石墨烯面前-它在产业应用上到现在也没有一个真正“颠覆性”的产品。不像塑料的发明直接给电气电子设备带来商业化的开端,直接创造了现代包装这一新兴产业;或者像硅一样是高科技产业的基础和开端。石墨烯现在的存在是能帮助现有的许多主要产业变得更加效率,产品更加优秀,而不是一个从0到1的质变。然而石墨烯在帮助产品变得更优秀的方向上,除了生产之外,石墨烯也遇到诸多困难,比如石墨烯材料缺少能烯,不易稳定地与现有产品进行匹配等。

☞小结:

诚然,石墨烯产业化并不是一帆风顺的,但是这并不意味着这是“海市蜃楼”。每一个伟大的产品都需要时间来证明它的潜力:当第一个人造塑料在1869年就被合成,其产品却直道20世纪20年代才真正开始市场化一样。石墨烯作为今年来最被关注且最优秀的材料,相比先人的“脚步”,已经领先非常多了。可以说石墨烯正处在就产业化的“黎明”之前,投资者现在需要的只是一点耐心和理性的投资心态。

参考资料:1.www.ibm.com
2.thegraphenecouncil.org
3.pyhs.org: Nanoporous graphene could outperform best commercial desalination techniques
4.World Graphene Market – Opportunities and Forecasts, 2013-2020
5.Wikipedia
6.Mancester University: The Home of Graphene
7.石墨烯制备方法研究进展商文砚,西北名族大学



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