21世紀的潛力股:3D列印耗材之石墨烯

121世紀潛力股：石墨烯

    【中關村在線辦公列印頻道原創】

    看新聞說21世紀是碳世紀，石墨烯將……

    手機充電僅需幾秒鐘？手機屏幕能摺疊彎曲？電動車電池續航800公裡，充電幾分鐘即可完成。由這種物質構成的聚合物電池可為無人機和心臟起搏器提供能量……這些設想或許都將因為有「21世紀神奇材料」之稱的石墨烯的面世而成為可能。

    石墨烯真的這麼牛？ 

21世紀的潛力股：3D列印耗材之石墨烯

    2004年，曼徹斯特大學2位研究員Andre Geim和Kostya Novoselov成功地從石墨中分離出了石墨烯，這項成果使得他們兩位在2010年榮獲諾貝爾物理學獎。其中，石墨烯的發現者之一、諾貝爾物理學獎得主Andre Geim曾經對石墨烯做過這樣形容：「石墨烯對很多人來說，就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇。」

    不知道大家還記不記得前一陣習大大訪問英國之旅，其中有個細節就是習大大專門去英國曼徹斯特大學石墨烯研究所參觀了一下。2015年10月23日，習大大參觀的曼徹斯特大學的國家石墨烯研究所（National Graphene Institute）以奪目之勢走進了石墨烯粉們的眼球。

2015年10月23日，習大大訪問的英國曼徹斯特大學石墨烯研究

（圖源：新華網）

    石墨烯到底是神馬，為什麼習大大這麼重視它？

2石墨烯到底何方神聖？

●神奇石墨烯，到底何方神聖？

    石墨烯是一種研究性極強的多用途物質，是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，只有一個碳原子的厚度。碳原子之間相互連接成六角網格。鉛筆芯用的石墨就相當於無數層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯捲成了筒狀。

石墨烯的結構：碳原子之間相互連接成六角網格

鉛筆芯用的石墨就相當於無數層石墨烯疊在一起

    石墨烯是由碳六元環組成的二維(2D)周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene)，捲成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環， 是目前最理想的二維納米材料。

石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關係（圖片來源：enago.com）

    石墨烯是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，具有透明、導電性強、可彎折、機械強度好等特徵，可以被無線拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，還可以抵抗很高的壓力，它可以像鑽戒一樣堅韌，比鋼鐵強200倍，又像橡膠一樣堅韌。

石墨烯是一種「超級材料」（圖源：21世紀網）

    石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家Andre Geim和Kostya Novoselov發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，於是薄片越來越薄，最後，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

可提取石墨烯的石墨粉

直接通過石墨的剝離得到石墨烯是一種簡單高效的方法

    石墨烯有著非同尋常的導熱性和導電性。自從2004年第一次被成功製造出來之後，就被科技界看好，認為它是一種顛覆性的全新材料，因其優異的特性，許多人認為21世紀將成為「石墨烯時代」。

石墨烯具有的特性（圖源：21世紀網）

    中國科學院院士、中國科學院金屬研究所研究院成會明認為，石墨烯的導電率很高，化學結構又十分穩定，是一種用於移動電池、電源很理想的電極材料。可以和電子元件、電子設備進一步結合，以增強其它儲電設備的儲電率。

石墨烯由單層碳原子組成的二維晶體

    石墨烯的另一個神奇之處在於「零滲透」——所有氣體、液體都無法滲透，有著「針插不進，水潑不進」的本事。比如，給船體塗上石墨烯塗層，海水中重金屬離子等就無法穿透這層薄膜去腐蝕船體。

石墨烯結構示意圖

    讓人感到驚奇的遠不止這些。石墨烯具有很強的吸附性，科學家正在研究用它做過濾裝置，用於海水淡化、汙水處理等領域。它幾乎又是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產品原料。

3當石墨烯遇到3D列印

●當石墨烯遇到3D列印

    儘管目前大多數桌面級3D印表機都僅限於塑料線材，但許多製造專家都認為，3D列印技術更多的創造潛力蘊藏在範圍更廣的其他材料和應用特徵上，比如我們現在討論的石墨烯材料。

    2016年2月9日，美國Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）和加州大學Santa Cruz分校的科學家們宣布，他們首次使用超輕的石墨烯凝膠3D列印出超級電容，從而為產品設計師更加自由、不受設計限制地將高效能源存儲系統用於智慧型手機、可穿戴設備、可植入設備、電動汽車和無線傳感器打開了大門。

美國科學家用石墨烯3D列印出超輕超薄的超級電容

    據了解，LLNL的研究團隊使用了一種被稱為直接油墨書寫（direct-ink writing）的3D列印工藝和該實驗室自己設計的氧化石墨烯複合油墨來列印微結構，製造出可以保留能量的超級電容，比當前使用電極製造的同類電容薄10到100倍。

這種3D結構的超級電容器充電速度非常快

    這種石墨烯「線材」能夠通過擠出頭3D列印微結構，一旦3D列印成指定的結構之後，這個石墨烯對象還需要進行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性，在此之後，這些3D列印的對象就可以用於各種處理，並仍會保持其石墨烯的性質。

顯微鏡下的3D列印石墨烯

    2016年1月28日，該成果發表在《Nano Letters》雜誌上，這項技術突破了2D製造的限制，用它可製造出各種各樣複雜的3D結構，這項技術可使我們在智慧型手機裡為能量存儲系統留下一個很小的空間即可。這種超級電容器的充電速度非常快，理論上只需要幾分鐘或者幾秒鐘即可完成充滿電量。

Graphene 3D Lab推出的新型3D列印材料Graphene Flex Foam（石墨烯柔性泡沫）

    關於3D列印技術與石墨烯的結合，另一個值得關注的事件就是：2015年11月23日，知名3D列印材料公司Graphene 3D Lab通過其電子商務網站向外界宣布推出新型3D列印材料Graphene Flex Foam（石墨烯柔性泡沫）。

該材料具備重量輕、可重構，具有多孔結構，而且易於使用和處理等特點

    Graphene Flex Foam是一種多層獨立式柔性石墨烯泡沫，它將導電性彈性複合材料與超輕的石墨烯泡沫結合在了一起。這種泡沫，實際上是具有高導電性的三維化學氣相沉積（CVD），與複合材料結合，從而具備了石墨烯的多個優良屬性。作為一種柔軟的泡沫，該材料具備重量輕、可重構，具有多孔結構，而且易於使用和處理等特點。

   Graphene Flex Foam是在離子電池的電極製造中優質的基本材料，非常適合用於穿戴電子產品，這是因為電子器件、傳感器和導線等都非常需要通過這種柔性的可穿戴材料來實現。

4前景美好，「烯」望無線

●前景美好，「烯」望無限

    作為一種技術含量極高的碳材料，石墨烯在觸控屏、半導體、光伏、鋰電池、光器件、航空、軍工、LED、雷射等領域或將帶來一次革命。不過，由於售價高昂，石墨烯目前尚未產業化。有分析認為，石墨烯一旦實現產業化，其產值至少在萬億以上。如果研發和應用進行得順利的話，也許我們的生活很快就會時時刻刻都需要使用這種材料了。

石墨烯可用於顯示屏的製作

    目前，石墨烯產業被納入國家戰略布局。《中國製造2025》選擇10大優勢和戰略產業實現重點突破，在首個重點領域技術路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領域之一。此外，「十三五」新能源汽車重點專項，也將石墨烯等新材料列為重點發展領域。

石墨烯薄膜

    業界認為，有了石墨烯，人類就可以開發出下一代能源解決方案，如太陽能電池或者幾分鐘即可充滿電的手機電池。一些人甚至大膽猜測，將來全新設計的3D列印超級電容可以用來創建當前很難製造、甚至用其他方法不可能實現的獨特電子產品，比如完全定製的智慧型手機或者摺疊裝置等，其性能也會達到前所未有的水平。 

全球首批石墨烯手機已於2015年年初上市

    不僅在能源儲存系統，石墨烯在檢測食品毒素、環境汙染、特定病毒和細菌等方面擁有獨特的優勢，例如，將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似於蛋白質的結構上可產生一個增強信號，以便高敏感傳感器檢測到毒素，其檢測能力相當於普通傳感器的10倍。此外，石墨烯還能用於生物醫療領域，如藥物傳送、癌症治療和生物傳感等，石墨烯擁有許多獨特的屬性，如更大的表面積、生物適應性和化學穩定性，這使得石墨烯具有很大的研究潛力，並被寄予厚望。

有學者大膽預測，石墨烯或許是醫療的下一次革命

    石墨烯新材料應用十分廣泛，尤其是石墨烯增強金屬結構材料在下一代飛機研製、航空發動機高溫部件製造、未來高速飛行器研製等方面具有極高的應用價值。目前，C919、B777飛機機身、機翼等結構大量選用了含有石墨烯材料的鋁合金，有助於進一步降低機身結構的重量、提高使用壽命，大幅降低製造成本。

石墨烯在飛機領域的應用

    有消息稱，西班牙Graphenano與其中國合作夥伴正泰公司最近也推出石墨烯材料的聚合物電池，據說，這種電池允許電動車連續行駛800公裡，可在幾分鐘內充電，電池也可以用作家庭使用，汽車行業，甚至包括自行車、無人駕駛飛機、心臟起搏器等。公司希望這種電池可在2016年年中實現原型，年底實現商用蓄電池組運行。

石墨烯材料的聚合物電池以更小的體積提供更強的性能

    除了以上這些，媒體鋪天蓋地的報導給我們的印象是，石墨烯改變的還有我們生活的方方面面：如用來生產防水膜億解決全球水資源短缺問題；取代當前電子產品中的矽，以更小的體積提供更強的性能。

5過度炒作反而是一種傷害

●過度炒作反而是一種傷害

    筆者發現，除了不能吃、不能喝、不耐熱之外，似乎石墨烯是個全能兒，以前展會上我們遇見過一些零售的石墨烯內衣、石墨烯護腰，這簡直在降低石墨烯高大上的形象。在中國，人們已經可以買到各種各樣的石墨烯產品。新三板上市公司聖泉集團已經在市場推出了石墨烯襪子和內衣。該公司宣稱，他們在產品中添加了生物質石墨烯「內暖」纖維，這是一種全新的智能多功能複合纖維，具有激活免疫細胞、防護紫外線、改善微循環、抗菌抑菌、增溫增陽等特性，還可以除臭。

用生物質石墨烯內暖纖維製成的衣服

    目前國內石墨烯市場十分「火熱」，但「火熱」的背後也應該看到不足，有的企業直接將石墨烯當作宣傳、銷售的噱頭。現在太多拿著石墨烯應用炒概念的，要麼是借用石墨烯拉升股票，要麼是借用石墨烯概念來給自己的產品吹噓，這些都不是真正科學意義上的石墨烯。

    從應用的角度上來講，石墨烯目前還在講故事階段，發展程度只能說是符合預期，而且在中國，產學研結合度更是低於預期。清華大學教授王志華更是在公開場合表態：「石墨烯用於IC（自發明集成電路）業，五年內都是一句空話。」要知道，過度的炒作反而是一種傷害。

很多企業借用石墨烯概念股拉升股票

    有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，真正走向市場，過程「前景光明，道路曲折」。首先是受限於材料生產，要實現石墨烯商業化，需要生產出低成本、高品質的石墨烯成品。但是，製作出這種石墨烯並非易事，技術層面上還有很多挑戰，批量化和大尺寸生產都還沒能克服。

    目前，我國石墨烯產業發展目前還存在生產成本高、產品品質待提升、上下遊互動不夠等問題。石墨烯行業缺乏統一的國家標準、行業標準和企業標準，對石墨烯的質量、製備工藝、檢測設備和方法等，都沒有科學統一的說法。中國的石墨烯產業何去何從，不僅需要國家層面的引導，更需要足夠的時間和足夠的耐心。