石墨烯材料是前途無量還是曇花一現

2004年，英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）成功地從石墨中分離出石墨烯。2010年，兩人借著在石墨烯方面的創新研究而獲得了諾貝爾物理學獎。之後，世界範圍內對石墨烯的研究、應用及投資快速升溫。

作為目前世界上已知的最薄、強度最高、導電性最好且擁有強大靈活性的碳材料，人們對石墨烯在新技術領域的應用充滿了想像。華為、三星、蘋果和谷歌等巨頭開始積累各種與石墨烯相關的專利，未來之戰已在實驗室打響。

中國擁有最大的石墨烯研究隊伍，產業化工作正在如火如荼地進行，全國各地也在紛紛興建石墨烯產業園。那麼，中國目前石墨烯產業化情況如何？石墨烯材料的未來之路究竟在何方？

北京大學化學與分子工程學院教授，中國科學院院士、發展中國家科學院院士劉忠範給了我們答案。

劉忠範院士作客《大國之材》

以下是新材料在線®整理的對話內容，「材」為新材料在線®，「劉」為劉忠範。

01石墨烯是什麼？

材：劉院士好，石墨烯被稱為「黑金」，是「新材料之王」，更有科學家預言石墨烯將「徹底改變21世紀」，請劉院士介紹一下石墨烯這種神奇的材料？

劉：大家都知道石墨，石墨跟石墨烯只有一字之差，實際上石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來，壘到你可以看到就是石墨。而把石墨一層一層的剝下來，剝到最後就是石墨烯。石墨跟石墨烯的關係就是這樣。簡而言之，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，其形狀表現為蜂窩狀、六角形結構的碳構成的二維平面，就是石墨烯。

材：請問石墨烯材料有哪些優越的性能，能在哪些領域應用？

劉：首先，石墨烯非常薄、導電性特別好。通俗來講，就是電子在石墨烯裡面可以跑得非常快。石墨烯優異的導電性能也決定其是一種非常好的導電材料。

其次，石墨烯的導熱性特別好，理論上它的熱導率可以到5300W/(m·K)，而金剛石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的導熱性是目前為止已知材料中最好的，運用石墨烯的導熱性，可以用來做散熱膜；同時因為石墨烯結構的特殊性，可以用來做發熱膜。比如國內現在有用石墨烯作畫的，這個畫既可以用來欣賞，也有加熱的功能。

此外，因為石墨烯導電性好且表面積特別大，所以目前國內比較多的做法是把石墨烯放到鋰離子電池中做添加劑。添加石墨烯後可以顯著提高鋰離子電池的性能、壽命以及循環次數。

值得一提的是，因為一層兩層的石墨烯是透明的，又導電又透明你會想到什麼呢？可以做觸控螢幕、觸控屏。目前市場上一般是用ITO來做觸控螢幕，ITO作為一種玻璃，不能來回掰，而石墨烯的柔性特質則決定其可以來回掰。

材：請問劉院士是什麼時候開始結緣石墨烯的，能否簡單介紹一下目前團隊已經取得的成績？

劉：其實我原來研究的就是碳材料，研究方向是碳納米管。我1998年開始做碳納米管，2008年開始研究石墨烯。

事實上，石墨烯跟碳納米管有很多相同之處，石墨片捲起來就是碳納米管，把碳納米管分開、切開就是石墨烯。自然而然，很多研究碳納米管的也就轉向研究石墨烯了，我也是其中之一。

當年研究碳納米管時，做化學氣相生長是我們比較擅長的，所以在研究石墨烯的時候，我們很自然地也從化學氣相生長開始，也就是石墨烯薄膜的製備。

我們團隊已經在石墨烯薄膜製備領域做了很多工作，可以說我們是石墨烯高質量製備做得最好的團隊之一。

《大國之材》劉忠範院士篇實拍

02正視石墨烯產業化現存問題

材：石墨烯作為一種新型材料，沒有相關經驗可以借鑑，請問您和您的團隊在研究石墨烯時遇到過什麼問題，又是如何解決的？

劉：目前國內號稱石墨烯薄膜的製備可以做到百萬平米每年，但實際上製備出來的產品質量還是比較差的。我們以一個簡單的度量方式來看，單晶疇區越大質量越好，性能也就越好。我們一直在試圖突破大的單晶薄膜，但這就意味著我們需要克服重重困難，從基礎研究、理論高度去思考，再從實驗及實踐層面來解決問題。

我覺得我們最大的的突破就是把石墨烯展開到玻璃上，我們叫超級石墨烯玻璃。我們可以在任意玻璃上（透明的或帶有顏色玻璃上）貼上一層石墨烯，我們叫超級石墨烯玻璃。

超級石墨烯玻璃的用途非常多，甚至我們認為有可能改變傳統的玻璃行業。比如說，我們都知道玻璃是絕緣的，放上一層石墨烯之後，它就變成導電的了；玻璃是不導熱的，放上一層石墨烯之後導熱加強；且貼一兩層石墨烯並不會影響到玻璃的透明性，但玻璃的實質卻完全變了，我們可以利用石墨烯玻璃做觸控螢幕、智能窗。

此外超級石墨烯玻璃還可以應用在汽車領域，我們看到高端汽車玻璃後面會有很多線條，這些線條其實就是導電的電線。而如果用石墨烯玻璃就不需要這些導電線，因為玻璃本身就是導電的。加上電壓之後就不需要貼膜了，它就可以除霜除霧，可以靈活調控變成深色或淺色。

這是我們團隊發明的技術，但這之中也還面臨著非常多的困難，比如說大規模製備、擴大產能等問題，但是我們對它充滿期待，相信石墨烯玻璃會成為一個著名品牌。

03石墨烯未來之路在何方？

材：目前全球都在大力發展石墨烯，中國石墨烯產業發展得怎麼樣？

劉：中國在石墨烯產業化領域是走在世界前端的。這點可以從我們國家現在已建或在建的十七、八個石墨烯產業園就能明顯感覺到，包括常州、無錫、深圳、重慶、青島、哈爾濱等。國家政策以及各級政府都在大力推動石墨烯的產業化。

相對而言，我們比較關注石墨烯產品，而歐美等國則更多地是在宣傳石墨烯技術，其實這只是處在不同的階段。我們一般把它分成A、B、C三個階段，初級階段是產品、中期是技術，到最後肯定是產業化。

目前我覺得我們國家關注比較多的還是產品本身，技術研發需要投入大量的資金，需要耐心。在這一點上，我們也在向國家各個部門呼籲，要從總體來布局。從先發優勢上來講，中國石墨烯產業化是走在前列，但後期的長久的優勢則取決於我們關注什麼，我覺得這個布局特別重要。不僅僅要關注現在，還要關注未來的技術和更偉大的產業。

材：您覺得未來石墨烯最有可能在哪些領域率先實現大規模應用？

劉：我給石墨烯設計了三種未來：

第一個未來相當於碳纖維。大家知道碳纖維可以應用在航空航天上，做大飛機以及做飛機的發動機等，同時也應用到低端的如釣魚竿、高爾夫球桿、自行車等領域。我相信石墨烯至少會像碳纖維那樣在各個行當裡面發揮它的優勢。

石墨烯的第二個未來相當於塑料，我們都知道塑料已經應用到我們生活中的方方面面，未來石墨烯也有這種可能。因為現在很多產品都已經開始添加石墨烯，包括國內的石墨烯內衣、石墨烯襪子等。

第三種未來是比較高端的，像矽材料、矽晶片。矽這種材料是一個時代的代名詞，就像歷史上的石器時代、青銅時代等，矽材料改變了我們的精神生活，沒有矽就沒有手機、計算機。未來石墨烯也有可能成為一個時代的代名詞，將來有可能取代矽，應用在集成電路等領域，速度更快、更輕、可摺疊、可穿戴。

以上就是我可以想像到的石墨烯的三種未來，無論是哪種未來的實現，都將對我們的國民經濟、日常生活帶來非常大的影響。

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