文｜觀察未來科技

塑料，是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。1869年，印刷工人約翰·海厄特發(fā)現(xiàn)，在硝化纖維中加進(jìn)樟腦，改性后的硝化纖維柔韌性和剛性都非常優(yōu)異，通過熱壓后可制成各種形狀的制品，這種材料被命名為“Celluloid（賽璐珞）”，這也是最古老的塑料制品。三年后，這種古老的塑料制品開始投產(chǎn)，大部分用于象牙代用品、馬車和汽車的風(fēng)擋和電影膠片等，從此開創(chuàng)了塑料工業(yè)。

不過，塑料的爆發(fā)應(yīng)用，則來自于1907年的貝克蘭合成了可塑性材料，可塑性材料為此后各種塑料的發(fā)明和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，并逐漸走進(jìn)了電話、收音機(jī)、槍支、咖啡壺、臺(tái)球、珠寶，甚至第一枚原子彈里。

而現(xiàn)在，一種可以與塑料媲美的新材料已經(jīng)誕生，那就是石墨烯。正如塑料對(duì)這個(gè)世界的改變一樣，石墨烯也正在改變世界。如果說塑料的發(fā)明是20世紀(jì)的最偉大的新材料，那么，石墨烯或許就將成為21世紀(jì)的顛覆性材料——石墨烯所彰顯的巨變的力量，一點(diǎn)也不比當(dāng)初的塑料少。

從塑料到石墨烯

塑料和石墨烯一樣，都是由碳基分子形成的。碳原子的長鏈和其他元素按照重復(fù)結(jié)構(gòu)單元連接在一起，這通常被稱為聚合物，也就是塑料的專業(yè)名稱。只不過，塑料瓶和購物袋并不是唯一的高分子聚合物形式。包括淀粉、蛋白質(zhì)或 DNA 在內(nèi)的天然聚合物都是促成身體機(jī)能運(yùn)轉(zhuǎn)的要素。

實(shí)際上，聚合物很早就已被人類發(fā)現(xiàn)，但一直未能投人重要應(yīng)用當(dāng)中。直至在人類 20 世紀(jì)初首次從石油當(dāng)中提煉出聚合物后，它才得到大規(guī)模應(yīng)用。1907年，利奧·貝克蘭發(fā)明的第一種塑料制品就是聚合物，此后，一系列為人熟知的塑料品種才相繼出現(xiàn)，包括聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯（PVC）聚乙烯、尼龍和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等等。

當(dāng)前，塑料幾乎在所有領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用——人們用聚對(duì)苯二甲酸乙烯制成的瓶子喝水；穿著尼龍和聚酯纖維制成的服裝，開著配備各種塑料部件的汽車；人們乘坐的飛機(jī)上都是裝有塑料的艙頂行李箱；而人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖找魴C(jī)、電視和電腦則全部采用流線型的塑料外殼。

而過去這種對(duì)于塑料應(yīng)用的想像，今天也被人們?nèi)绯鲆晦H地復(fù)制在了石墨烯上。2010年10月5日，瑞典皇家學(xué)院宣布了當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)呒捌浍@獎(jiǎng)理由：安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）制備出了石墨烯材料，并發(fā)現(xiàn)其所具有的非凡屬性，向世界展示了量子物理的奇妙。

實(shí)際上，石墨烯的理論研究距今不過60多年的歷史，其曾被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在?，F(xiàn)實(shí)中，人們常見的石墨就是由無數(shù)層石墨烯堆疊在一起構(gòu)成的（厚1毫米的石墨大約包含300百萬層石墨烯），用鉛筆在紙上輕輕畫過，留下的痕跡就有可能是一層或數(shù)層石墨烯。由于石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離成薄薄的石墨片。如果能找到方法將石墨薄片進(jìn)一步剝成只有一個(gè)碳原子厚度的單層，就能得到石墨烯。

正是基于這一原理，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在2004年用機(jī)械剝離法首次成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，即一種由乙苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的二維碳材料。特殊的結(jié)構(gòu)使得石墨烯成為構(gòu)成其他石墨材料的基本單元，它既可以翹曲成零維的富勒烯（巴基球），也能卷成一維的碳納米管，還可以堆垛成三維的石墨。

不過，石墨烯最出名也最神奇的一點(diǎn)，就是：它是一種二維材料。石墨烯當(dāng)然有厚度，但是只有一個(gè)碳原子那么厚，稍微薄一點(diǎn)或者厚一點(diǎn)都不是石墨烯。如果加一層碳原子到石墨烯上，就成了石墨；如果從石墨烯中取走一層碳原子就什么也不剩了。石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅打破了自然界中不可能存在二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，極大地充實(shí)了碳材家族，還為促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、引領(lǐng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速崛起找到了關(guān)鍵材料。

而石墨烯的神奇特性正是由這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予的——用肉眼觀察，石墨烯呈黑色粉末狀，握在手里輕若無物，但卻是目前人類已知的導(dǎo)電導(dǎo)熱性最佳、重量最輕、強(qiáng)度最大、韌性最好并具有極高透光率和高比表面積的材料。憑借自身良好的光、電、熱、力等性能，石墨烯被人們寄予了諸多超乎想象的功能，并成為碳時(shí)代的“黑金”。

新材料的希望

眾所周知，材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動(dòng)著整個(gè)人類文明的演化。從木石泥，到銅鐵鋼，再到硅晶片、碳纖維，歷史經(jīng)驗(yàn)表明，人類社會(huì)每一個(gè)新時(shí)代都會(huì)有一種新材料出現(xiàn)，而這種新材料往往成為那一時(shí)代生產(chǎn)力提升的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。不過，對(duì)于過去的材料來說，都無法逃脫隨著使用時(shí)間的延長而出現(xiàn)損耗的宿命。

比如，牛仔褲會(huì)因穿著時(shí)間長，面料變得稀疏，甚至出現(xiàn)小洞；廚房攪拌機(jī)最終會(huì)因?yàn)橛糜谡{(diào)整馬達(dá)速度和攪拌強(qiáng)度的齒輪因長期磨損而徹底斷裂而無法啟動(dòng)；連汽車也會(huì)因?yàn)樽兯倨鞯睦匣鴪?bào)廢，隨著時(shí)間的推移，摩擦?xí)斐蓳p耗，傳動(dòng)裝置自然就會(huì)失效。

而材料最終會(huì)走向損耗的根本原因，其實(shí)很簡單，就是因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖?。?dāng)兩個(gè)表面相互摩擦?xí)r，實(shí)際的接觸點(diǎn)只有納米大小——只不過是在幾個(gè)原子間產(chǎn)生摩擦。造成摩擦的原因則相對(duì)復(fù)雜，既要考慮表面的粗糙度，又要考慮材料形狀的微小變化和表面的污染情況。在出現(xiàn)摩擦?xí)r，運(yùn)動(dòng)表面間產(chǎn)生的能量將轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致一些潛在的破壞性結(jié)果。

比如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的活動(dòng)部件以及駕駛過程中此類部件相互摩擦產(chǎn)生的熱量，就是我們使用機(jī)油和冷卻系統(tǒng)的主要原因。如果不進(jìn)行潤滑和冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量將迅速損毀發(fā)動(dòng)機(jī)，還有可能致使汽車起火。

然而，石墨烯卻完美解決了過去材料因?yàn)槟Σ亮Χ鴮?dǎo)致的缺陷?；谶@個(gè)特性，當(dāng)前，石墨烯涂料現(xiàn)已應(yīng)用于小型機(jī)械部件，不僅能夠顯著提高部件的使用壽命，而且?guī)缀跄軌虮苊庖蚰Σ廉a(chǎn)生的無效熱量。

不僅如此，當(dāng)石墨烯應(yīng)用于微型機(jī)械時(shí)，人們還可以在石墨烯涂層中有選擇性地添加雜質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的校準(zhǔn)。這樣一來，除了在指定的運(yùn)動(dòng)方向上幾乎可以徹底避免摩擦產(chǎn)生外，同時(shí)還可以讓其他方向上的運(yùn)動(dòng)仍能產(chǎn)生摩擦。這種被動(dòng)的自我校準(zhǔn)方案已通過實(shí)驗(yàn)室測試。

除了摩擦力小之外，石墨烯還擁有另外一項(xiàng)革命性的應(yīng)用價(jià)值，就是超高的強(qiáng)度。如今，各種產(chǎn)品提升強(qiáng)度和抗斷裂性能的方法之一就是加大產(chǎn)品的體積：增加塑料或木板的厚度，使其不易破裂；通過加大密度來提升材料的強(qiáng)度；附加梁木或固件來分擔(dān)材料在使用過程中承受的壓力。這些解決辦法都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)共同的副作用——在提升強(qiáng)度的同時(shí)，也增加物體的重量。隨著而來的問題是，人們是否會(huì)愿意為了實(shí)現(xiàn)防摔的功能而增添物品的重量？

不僅如此，對(duì)于汽車來說，在某些硬件處使用密度更大的材料通常會(huì)使安全性得到提升，然而車身的重量一旦增加，燃油的經(jīng)濟(jì)性便會(huì)下降。而只要使用石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)備強(qiáng)化方法，我們就可以在使物品更加堅(jiān)固的同時(shí)使物品的重量更輕。無論是并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性損毀的汽車引擎和輪胎，還是無需因日常磨損而頻繁維護(hù)的機(jī)械設(shè)備，石墨烯幾乎都可以改善它們的耐用性能。

最后，也是石墨烯最為人們所期待的特性，就是“輕便和柔韌”的特性。石墨烯是由排列在平面上的單層原子構(gòu)成的，不僅非常纖薄，而且強(qiáng)度極高，這也就意味著，石墨烯可經(jīng)彎折、卷曲、折疊處理，塑造出任何能夠想象的形狀。石墨烯材料不僅能被拉伸至原尺寸的 120% 而不發(fā)生斷裂，還能夠輕松恢復(fù)到初始狀態(tài)。除此之外，石墨烯還能將投射到材料上的92%的可見光傳輸出去。也就是說，石墨烯不僅輕便、柔韌、可導(dǎo)電，而且?guī)缀跏请[形的。

這為未來的智能設(shè)備奠定了材料的基礎(chǔ)。比如，使用石墨烯作為材料的薄膜電腦可在隱形狀態(tài)下覆蓋車窗玻璃，從而為即將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的汽車提供地圖和實(shí)時(shí)路況報(bào)告，幫助駕駛員在任何兩地間行車時(shí)選擇最佳路線。以石墨烯薄片為材質(zhì)的計(jì)算機(jī)類應(yīng)用，還包括可與隱形眼鏡相結(jié)合的微型嵌人式電腦。在未來，人們可以利用抬頭顯示技術(shù)，隨時(shí)將需要查詢的信息展現(xiàn)在自己眼前。

放眼未來，如果石墨烯的性能被徹底發(fā)揮出來，那么大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能設(shè)備等各項(xiàng)前沿領(lǐng)域?qū)?huì)取得重大突破，不僅將會(huì)實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，人們習(xí)以為常的生產(chǎn)生活方式也會(huì)被徹底顛覆。

“黑金”時(shí)代怎么還沒來？

當(dāng)前，石墨烯被形象地稱為“黑金”“萬能材料”“新材料之王”“未來材料”和“革命性材料”，甚至有科學(xué)家預(yù)言其極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)革命，進(jìn)而徹底改變21世紀(jì)。

不過，石墨烯好則好矣，但卻離普通消費(fèi)者仍有一定的距離。究其原因，除了制造、營銷及配售新產(chǎn)品或改造產(chǎn)品常見的障礙外，石墨烯產(chǎn)品所面臨的其他困難還包括：創(chuàng)建和維護(hù)原材料供應(yīng)鏈、與擁有牢固客戶基礎(chǔ)的技術(shù)展開競爭，以及應(yīng)對(duì)不可避免的法律問題。

其中，最重要的還是兩方面的原因，一方面，石墨烯還面臨制造的障礙。目前，石墨烯的制造難度仍然很大，當(dāng)前，制備石墨烯有4種主流方法：機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉淀法（CVD）、碳化硅（SiC）外延生長法和氧化還原法。

其中，機(jī)械剝離法是實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的主要方法，也是當(dāng)前制取單層高品質(zhì)石墨烯的主要方法；化學(xué)氣相沉淀法被認(rèn)為最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法；碳化硅外延生長法雖然可以制得大面積的高質(zhì)量單層石墨烯，但受單晶SiC的價(jià)格昂貴、石墨烯生長條件苛刻、生長出來的石墨烯難以轉(zhuǎn)移等因素影響，其目前主要用于以SiC為襯底的石墨烯器件的研究；氧化還原法也被認(rèn)為是目前制備石墨烯的最佳方法之一。

好在隨著世界各地的公司紛紛加人石墨烯生產(chǎn)大軍，且生產(chǎn)石墨烯的新方法仍在以驚人的速度不斷涌現(xiàn)。目前來看，似乎我們確實(shí)有可能在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)當(dāng)然，部分企業(yè)仍將專注于小批量、定制化的石墨烯生產(chǎn)（如生產(chǎn)出長度在毫米至厘米間，甚至更短的石墨烯薄片），這種石墨烯可用作添加劑或與其他材料結(jié)合使用。而要想真正達(dá)到實(shí)用且能夠產(chǎn)生效益的階段，石墨烯的年產(chǎn)量至少需要超過數(shù)千噸。

另一方面，在被廣泛應(yīng)用之前，石墨烯必須兌現(xiàn)市場預(yù)期，提供比現(xiàn)有技術(shù)更高的效益或者更低的價(jià)格。此外，石墨烯還須在顧客指定時(shí)問內(nèi)保質(zhì)保量地實(shí)現(xiàn)大批量供貨。而面對(duì)每年成千上萬新型石墨烯應(yīng)用專利的申請(qǐng)，當(dāng)前，全球石墨烯產(chǎn)量僅可勉強(qiáng)滿足實(shí)驗(yàn)室研究人員的需求，商用市場根本無從談起，因此高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品價(jià)格相當(dāng)高。

不過，如果基于石墨烯生產(chǎn)的 “殺手級(jí)應(yīng)用”被發(fā)明出來，那么石墨烯市場或?qū)⒂瓉硪粓雠炕a(chǎn)的競賽，以滿足這一需求。一旦產(chǎn)量增加，特別是出現(xiàn)很多供應(yīng)商后，每單位的石墨烯產(chǎn)品的價(jià)格就會(huì)下降，只有這樣，一個(gè)強(qiáng)大的商業(yè)市場才能形成。

人類工業(yè)化的歷史經(jīng)驗(yàn)表明，新材料的發(fā)明制取在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系中扮演了舉足輕重的角色，屢次催生出新產(chǎn)業(yè)甚至是新產(chǎn)業(yè)群。然而，新材料在產(chǎn)業(yè)化過程中，往往在技術(shù)、市場和組織等方面存在極大的不確定性。而如果按照硅材料產(chǎn)業(yè)的成熟周期為20年來推斷，石墨烯產(chǎn)業(yè)化成熟還要5~10年，因此，石墨烯想要真正引領(lǐng)“黑金”時(shí)代，還有一段路要走。