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石墨烯热:“热”在今天,更要关注未来

2021-06-10 来源:江苏经济新闻网

石墨烯热:“热”在今天,更要关注未来

6月6日是国际石墨烯日。在这一天,关于石墨烯的研究与应用再次成为科学界讨论的热点。作为目前世界上已知最薄、最强、导电导热性能最高的一种新型纳米材料,石墨烯的发展前景被众多科学家所看好,石墨烯也因此被称为“黑金”。正如诺贝尔物理学奖得主弗兰克维尔泽克所说,石墨烯可能是唯一一个从量子理论到应用的实例。

石墨烯是如何被发现的?应用前景如何?从研究到应用,我们还要越过哪些障碍?

1、发现石墨烯:颠覆了物理学界传统思维定式

我们经常谈及的“石墨烯”,究竟是什么?

“石墨跟石墨烯只有一字之差,实际上,严格意义上的石墨烯就是单层石墨片。把单层石墨片垒起来,垒到足够厚就可以得到石墨。而把石墨一层一层地剥下来,剥出的单层就是石墨烯。”根据北京大学化学与分子工程学院教授彭海琳的描述,石墨烯就是一种纯碳材料,百分之百的碳材料,是具有代表性的二维材料,其形状表现为碳原子构成的蜂窝状、六角形结构的二维平面。

石墨烯曾一度被认为是一种假设性结构,无法单独稳定存在。北京理工大学化学与化工学院特别研究员赵扬介绍,改变发生在2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫等人首次成功利用微机械剥离法从石墨中分离得到石墨烯,颠覆了物理学界“二维原子晶体不可能在有限温度下稳定存在”的传统思维定式,两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”而获得2010年诺贝尔物理学奖。

“虽然这次发现意义非凡,但其采用的制备方法却很简单——利用透明胶带黏住高定向热解石墨,把有黏性的一面对折,再把胶带撕开,石墨薄片就会被一分为二。”彭海琳告诉记者,不断重复这个解离过程,石墨片就会越来越薄,最终得到只有一层碳原子厚度的二维晶体材料石墨烯。当然,现在制备石墨烯的方法更多了——经过数年发展,科研人员发现了更多制备石墨烯的方法,这种新材料由此进入工业化生产领域。

2、探索石墨烯:很大程度改变人类生活

石墨烯,能用来干什么?

“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最坚硬、导电性最好的纳米材料,几乎完全透明,具有很大的应用前景,可以应用到储能、医疗、电子等各个领域。”赵扬举例说,石墨烯由于其高导电性、良好的电容性能和散热性能等,被广泛应用于电容器、电池的电极材料中。其高导电性还尤其适合于高频电路,因此石墨烯有望成为硅的替代品,进而提升未来计算机的运行速度,减少能耗。

南开大学物理科学学院教授蔡卫补充说,石墨烯能替代活性炭等,提高储能器件的容量与效率。“石墨烯复合材料有望取代传统的碳纤维,用于制造更加轻型的飞机和航天器等。具体到光学领域,石墨烯目前的应用方向包括柔性透明电极、光伏器件、光源、光探测器、超快激光器、光频转换器及太赫兹器件等。”

“更值得一提的是,石墨烯可以用来做柔性触摸屏、触控屏。目前,市场上一般是用ITO(氧化铟锡)玻璃做触摸屏,ITO玻璃比较脆,不能来回弯折。而石墨烯的柔性特质则决定其可以来回掰。”彭海琳说。

蔡卫表示,石墨烯的广泛应用将很大程度上改变我们目前的生活,提供一个信息沟通更通畅、生活更加便利及更加环保的生活环境。

3、研究石墨烯:不能囿于低端应用,要关注未来核心技术

“目前,我们对石墨烯的研究主要集中在三个方面:一是石墨烯及其复合材料的制备与其性能研究;二是基于石墨烯的基础物理研究,如量子物理、极化激元物理等;三是石墨烯光电子器件及其应用等。”蔡卫介绍,目前,石墨烯研究逐渐走出实验室,如2020年5月,华为发布的国内首款5G平板华为MatePadPro5G搭载了超厚3D石墨烯散热技术,总厚度达到400微米。

但从研究到应用,石墨烯还要越过诸多障碍。

赵扬说,“现阶段,若想将石墨烯直接应用到实际还存在一些困难,主要原因在于石墨烯的生产工艺还不太成熟,导致石墨烯价格较高、质量差、产量少。虽然很多公司的产业化正在紧锣密鼓进行,部分石墨烯产品也已推向市场,但石墨烯还无法满足高质量生产和大批量应用的需求。”

彭海琳从国内实际情况出发,给记者列举了一系列数字——据统计,从2011年起,我国关于石墨烯的文章数量已经位居世界第一,接近六万篇,远远超过第二名美国的两万多篇;我国申请的石墨烯专利占了全球的54%以上,也是遥遥领先。目前,我国涉及石墨烯业务的公司已超5000家,并且呈现迅速增加之势。

但数字背后也隐藏着危机。“我国石墨烯研究与国外不完全在一个频道上。”彭海琳坦陈,“我们更关注马上能赚到钱的商品。我们有七百多家石墨烯涂料企业,还有众多的石墨烯电热器和大健康企业,以及越来越多的石墨烯内衣、石墨烯袜子、石墨烯护腰、石墨烯口罩等。反观国外,他们更多关注的是未来,是石墨烯核心技术和高大上的产品开发,如柔性石墨烯电子器件、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫兹探测器等各类传感器、石墨烯分离膜及海水淡化技术等。显而易见,这些东西不可能立即变现,不能期待几年之内就有多么大的产业,但它们可能代表石墨烯材料与器件的未来方向。”

这样的观点值得注意。北京石墨烯研究院院长、中国科学院院士刘忠范就曾多次指出,我国的石墨烯研究仍处在产业化前夜,至多是起步阶段,我们不能过于急功近利,既要关注今天的产品,更要关注未来的核心技术。只有拥有这些核心技术,才能拥有石墨烯产业的未来。

4、应用石墨烯:更广泛的应用将把人类带入“碳时代”

发展石墨烯,前路在哪?

“未来,石墨烯应该朝着产业化方向发展,其用途可体现在可穿戴的智能化手机手表、电动汽车等设备的电池电极材料、军用防弹衣、航空装置的机械保护材料,以及一些柔性电子显示屏和电子元件等方面。”赵扬认为。

蔡卫表示,从更长远的发展来看,石墨烯要推动基础物理的发展,目前石墨烯已推动整个二维材料领域的发展,为探索范德瓦尔斯二维异质材料的基础物理与应用提供了可能,如转角双层石墨烯可实现超导、石墨烯中的元激发能实现极端强的光—物质相互作用等。“当然,石墨烯要在新场景下实现应用。如基于石墨烯的超灵敏光探测器可应用在航空航天、无人驾驶、生物检测等领域,又如石墨烯与其他二维材料或者现有硅基纳米系统集成,出现在6G通讯器件中等。”

“刘忠范院士曾给石墨烯材料勾画了三种前途。第一种前途类似于碳纤维材料,在某些领域找到不可或缺的用途,成为“撒手锏”级的应用。第二种前途类似于塑料,一百年前人们发明塑料,极大便利了人类生活,已经渗透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有这种潜质,在未来也可能像塑料一样进入我们的日常生活。第三种前途类似于硅材料。没有硅材料,就没有集成电路,自然也就无法进入信息化时代。甚至可以讲,我们现在生活在‘硅时代’。完美的石墨烯材料拥有远优于硅材料的光学和电学等特性,可用来制造未来的信息器件。”彭海琳表示,首先需要解决的是石墨烯材料的制备问题,在未来,高质量石墨烯材料可以考虑先和传统硅技术结合或融合发展,最终找到“杀手锏”级用途,有可能替代硅基材料,制造“碳基电子器件及集成电路”,从而把人类带入“碳时代”。

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