本报记者张晓鸣

　　石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成的六角形，呈蜂窝晶格的一层透明薄膜，是世界上为数不多同时具备“透明、导电和柔性”三大属性的材料，这三种属性很少能在同一个材料上出现，因此它又被称为“奇迹材料”。十年前，石墨烯还不太为人所知，如今，它的巨大潜力引发了无限的遐想。

　　我们在日常生活中常常会用到石墨，例如铅笔芯；然而，从中分离出来的石墨烯，却像是科幻电影里取出来的那般神奇。这项从铅笔芯中得来的发现，为它的发现者带来了诺贝尔物理学奖，而按照《纽约时报》的说法，石墨烯“具备颠覆当前所有电子设备的潜质，是材料的未来和电子行业的救命稻草”。

　　透明胶带粘出的发现

　　2004年，物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫正在一张涂满铅笔笔迹的纸上，用透明胶带粘来粘去。

　　这两个人偶然意识到，他们可以强行将性状类似铅笔芯的石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后利用普通胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，在不断重复这一过程中得到越来越薄的石墨薄片，最后制成由一层碳原子构成的石墨烯。

　　靠这种“粘取”，他们剥离出了石墨烯，随后发现，石墨烯原子所独具的、像一张铁丝网似的六角形阵列排列方式，有潜力成为新型材料。它由碳原子以特殊结构排列而成，比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是，它不仅是世界上最硬的材料，而且柔韧性也最强。

　　“石墨烯是世界上为数不多同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”有专家宣称，“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”厚度只有一层碳原子的石墨烯因此被称为“奇迹材料”。

　　2010年，诺贝尔物理学奖的至高荣誉由安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，因“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。评审委员会认为，它“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”。

　　石墨烯能做什么？

　　虽然石墨烯早在10年前就被发现，然而它在2010年两位研究者获得诺贝尔物理学奖后，才真正获得关注，研究人员和大公司开始集中精力研究如何商业化生产石墨烯，与石墨烯相关的应用性研究已初现成果。

　　物理学家和研究人员表示，由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质，这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外，续航时间长的电池也可具备防水性能。

　　2011年，美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池，该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周，每次充电只需15分钟”。

　　2012年，美国化学学会表示，石墨烯技术进步将使得“手机薄如纸张，能够折叠装入口袋”。媒体称研究人员正基于石墨烯研制一系列传感器，包括气体传感器、生物传感器和光传感器，它们的体型比以往更小。

　　不久前，与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称，三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示，这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。有论者指出，三星的突破最终将成为“石墨烯商业化的救命稻草”。而三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、诺基亚和SanDisk公司的研究人员都在尝试用石墨烯材料创造新型传感器、晶体管和存储器。

　　石墨烯最大的优势是价格便宜。当今电子行业的很多产品都能利用石墨烯而变得更好、更小、更便宜。加利福尼亚大学伯克利分校的科学家去年制造了一款石墨烯扬声器，音质等同于甚至好于森海塞尔耳机，体型更小。石墨烯迷人的地方还在于，它可浸入液体不被氧化，这一点与其他导电材料完全不同。研究者表示，石墨烯研究正在向让电子产品与生物系统融合的方向转变。换句话说，未来石墨烯产品可以植入你的身体中，读取神经系统信息或同细胞对话。

　　取代无所不在的硅

　　目前来看，取代无所不在的硅，是石墨烯最具商业前景的用途。

　　传统的集成电路晶体管是由硅制成的，著名的摩尔定律在上世纪70年代预言，晶体管的性能每两年就能提高一倍。但近年来这一著名预言却遭到科学家们越来越多的质疑，因为晶体管的尺寸不断缩小，集成度越来越接近它的物理极限。晶体管的微型化造成的元件升温，也使其性能大打折扣--电子设备的温度每升高10度，寿命就会折损一半。

　　而石墨烯材料制成的芯片，则有可能使元件的温度保持在较低水平，从而进一步推进电子设备的微型化。电子产业甚至认为，石墨烯日后能取代无处不在的硅，从而引发电子工业革命。

　　在国外，石墨烯材料的研发受到高度重视。2013年1月，欧盟委员会宣布将石墨烯和人脑工程两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”，并分别设立专项研发计划，每项计划将在未来10年内分别获得10亿欧元的经费。在我国，石墨烯材料的奇异特性，也逐渐引起政府、学术界和企业界的高度重视。2012年，工业和信息化部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料，就包含石墨烯；科技部也明确表态将支持石墨烯材料的研究。

　　我国石墨烯领域研发起步较晚，但发展较快。2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时，江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新，纷纷建立了产业技术联盟，促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。

　　有待实现的承诺

　　当石墨烯真正摆到商店货架时，它们的外形和体验可能是我们从未见过的。

　　自石墨烯被发现以来，研究人士一致努力开发这种材料的商业用途，如替代晶硅应用在芯片领域，制造锂离子电池负极材料以及超级电容器，制造可弯曲触摸屏等。

　　如今，研究的重心转向了石墨烯与其他金属的结合应用。以太阳能研发为例，美国麻省理工学院就构想了一种新型光伏电池，由石墨烯与二硫化钼结合制成。与当下最小的光伏电池相比，这种新型光伏电池每单位体积的发电能力可高出30倍。科学家目前正在研究如何结合石墨烯与硫族化合物形成新的材料，用于制造能够发电的外涂层。

　　然而，科学家眼中并没有所谓的奇迹。石墨烯的工业化也无法一蹴而就。目前，石墨稀的造价仍然较高；而且，在某些情况下，它的性能并不如硅。与此同时，它微量的毒性也还没有得到充分的考量。更关键的是，整个行业都在使用传统硅芯片和晶体管制造电子产品，大企业这些接纳石墨烯速度可能很缓慢。

　　石墨烯要走的路还很长。

　　链接奇迹材料无处不在

　　电池

　　2011年，美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池，该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周，每次充电只需15分钟”。

　　此外，特斯拉对电池技术的革新，也将引发市场对提升锂电池能量密度材料的关注。石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性，是柔性储能器件的理想候选材料之一。石墨烯复合材料用作锂离子电池负极材料，可大幅提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。

　　超级计算机

　　由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

　　可穿戴设备

　　与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称，三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示，这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。

　　抗菌物质

　　中国科学院上海分院的科学家发现，石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。

　　安全套

　　去年，比尔及梅琳达·盖茨基金会拿出10万美元奖金，奖励利用石墨烯创造出更薄、更轻和更稳固的安全套科学家。

　　石墨烯感光元件

　　新加坡南洋理工大学的学者，研发出了一种以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，它可望透过其特殊结构，让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1000倍，而且损耗的能源也只是原来的1/10。

　　传感器

　　基于石墨烯研制一系列传感器，包括气体传感器、生物传感器和光传感器，它们的体型比以往更小。这种传感器可以植入你的身体中，读取神经系统信息或同细胞对话。

　　海水淡化

　　研究表明，石墨烯过滤器可能大幅度胜过现有的海水淡化技术。

　　飞机

　　以石墨烯为基础的新型材料可以减轻飞机的重量，从而减少其煤油消耗以及二氧化碳的排放。此外，氧化铟锡是飞机驾驶舱屏幕电极制造中不可或缺的一种材料，但造价十分昂贵，石墨烯有希望取而代之。

　　基因电子测序

　　由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的、快速、低成本的基因电子测序技术。