石墨烯需在制备与应用领域持续突破

原标题：石墨烯需在制备与应用领域持续突破

在日前举办的第二十五届中国国际高新技术成果交易会上，全球首个产业化应用的二维石墨烯材料亮相。石墨烯被认为是“会改变世界的材料”。它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料。

对于石墨烯材料来说，2010年是一个重要的年份。这一年，诺贝尔物理学奖授予了物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，表彰他们“有关二维材料石墨烯的开创性实验”，石墨烯材料也因此进入公众视野。这种既透明轻薄同时又具有超强韧度的二维材料，已经成为当下材料科学领域的“明星”。

用胶带“撕出”的诺贝尔奖

石墨烯是一种二维材料，从结构上来说，它是由碳原子以六元环组构而成的二维平面。它是碳的一种新型二维纳米结构形式，衍生于石墨。在显微镜下观察石墨截面可以发现，石墨片层是由石墨烯紧密堆叠构成的。因此，石墨烯可以被看作是一种石墨薄层，1毫米的石墨片层有大约300万层石墨烯。如果把石墨比作一本书，石墨烯就是其中的一页，只不过这一页的厚度仅有0.335纳米，是普通纸张的三十万分之一。石墨烯还是目前可见的透明度最高的材料。玻璃通常作为透明材料使用。最透明的玻璃透光率为87%，而石墨烯薄膜透光率达到97.7%，肉眼看去几乎是透明的。

早在19世纪中叶，科学家就发现了石墨特殊的层状结构。铅笔在纸上轻轻划过，留下的印记就是数层石墨烯。然而，科学界长期认为由于石墨烯自身的热力学不稳定性，其不可能在常温常压的条件下稳定存在。也就是说，石墨烯只存在于理论中，不是能实际存在的物质材料。

这种成见统治了材料科学和凝聚态物理学领域100多年，直至21世纪初被海姆和康斯坦丁戏剧性的发现所打破。据北京创新爱尚家科技股份有限公司穿戴项目负责人王玉倩介绍，两位英国科学家使用胶带将石墨烯从石墨中剥离出来，然后用显微镜观察到了这种单层的碳原子结构，证实了石墨烯的存在。他们用胶带剥离法成功分离出石墨烯的做法，是石墨烯研究的重要突破。

石墨烯的发现开启了二维材料世界的大门。时至今日，已经有700多种稳定存在的二维材料得到实验或理论认证。

提高制备技术以满足多元需求

大批量、低成本生产高质量的石墨烯材料，是其实现产业化应用的前提。但显然“用胶带撕下来”的剥离法并不适用于石墨烯材料规模化制备与生产。

目前，石墨烯的制备主要包括“自上而下”法和“自下而上”法两种工艺。所谓的“自上而下”法，指的是以石墨为起点，从石墨中层层剥离，得到二维的微观石墨烯，是一个“由多到一”的过程；而“自下而上”法是指从含碳化合物开始，利用高能量破坏掉化合物的化学键，使其中一个个的碳原子从中脱离出来后规则地聚集，生长成为石墨烯，是一个“由零到一”的过程。前者主要包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法，后者则主要包括化学气相沉积法、碳化硅晶体外延生长法。

中国科学院院士、北京大学教授刘忠范介绍，石墨烯材料有3种不同的形态：粉体、薄膜、纤维。材料形态不同，用途也不一样。2010年至今，石墨烯材料的应用都是以粉体材料为主，用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料，它有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维，甚至超级导线等。

王玉倩介绍，石墨烯具有优异的导电性，可以用于制造加热垫、加热片等加热元件，可以应用于多个领域，包括智能服装穿戴、清洁建筑供暖、汽车及轨道交通等行业。在2022年北京冬奥会上，从发热座椅到工作人员、运动员的保暖服装，都应用了石墨烯发热材料和石墨烯柔性织物。这些材料和织物表现出优异性能。