神奇的“新材料之王”石墨烯，未来的发展前景如何？

■国树权 江 冉

近日，来自吉林大学、中国科学院金属研究所、国家深空探测实验室、国家航天局探月等单位的科研人员通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤的观察分析，首次在月壤中发现了天然形成的石墨烯。

凭借优异的性能及应用价值，石墨烯如今在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展，并已广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。

目前，石墨烯的研究与应用开发持续升温，有些科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

那么，此次在月壤中发现天然石墨烯意味着什么？石墨烯未来的发展前景如何？请看本期关注。

石墨烯材料实物图。新华社发

用胶带“撕”出来的单层碳原子

提起石墨烯就一定要先提到广泛存在于我们日常生活中的天然矿物——石墨。

作为碳的同素异形体,石墨是一种层状材料，石墨内部的碳原子是一层层排列的。碳原子在同一层里“手拉着手”，紧密相连，但不同层之间碳原子的结合却松松散散，好似一摞扑克牌，轻轻一推，牌和牌之间就会滑动开来。

从化学结构的角度看，石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中，同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相连，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。

如果说石墨是一摞扑克牌，那么石墨烯就是这摞扑克牌当中的一张。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，将石墨烯一层一层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。

虽然石墨烯本来就存在于自然界，但它难以剥离出单层结构。

20多年前，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫认为一定有什么办法能够获得单层的石墨。

怎么能把单层石墨剥离出来呢？

科学家们采取了一个非常“简单粗暴”的办法——用胶带粘。

“就像当在纸上写错字的时候，我们会用胶带把错字粘下来。”科学家们据此大胆联想，胶带能够粘下纸上的表层，是不是也能粘下一层一层的石墨？

实验中，科学家们将热解石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，石墨片被一分为二。虽然此时的石墨厚度距离单层石墨还有十万八千里，但科学家们验证出了这种方法的可行性——每用胶带粘一次，石墨都会变得更薄，坚持用这种“机械剥离法”如此重复操作，他们最终得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

不过，这种用胶带一层层反复剥离石墨薄片得到石墨烯的方法，生产效率低，只能用来制备微米厚度的石墨烯，且无法进行工业化量产。

后来，随着科技水平的提高，石墨烯的制备方法也有了大幅进步。目前，除了这种传统的物理机械剥离法，还有氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积等多种制备石墨烯的方法。

未来的革命性材料

凭借独特的物理和化学性质，石墨烯一经问世，就受到了广泛关注。

首先，石墨烯对物理学基础研究具有特殊意义。

在科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现石墨烯的若干年后，这两位科学家又在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，并因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。这一发现，使此前一些只能停留在理论想象阶段的量子效应可以通过具体实验来验证，例如“电子无视障碍”“实现幽灵一般的穿越”等实验。

不过，更令人们感兴趣的，是石墨烯许多“极端”的特性。

被称为“新材料之王”的石墨烯，厚度不及普通纸张的三十万分之一，但却是目前已知强度最高的材料之一，在保持高强度的同时还具有很好的韧性，可以弯曲。有这样一个生动的比喻可以感受石墨烯的这种特性——如果用1块面积1平方米的石墨烯做成吊床，这个吊床本身重量将不足1毫克，但可以承受一只猫的重量。

人们也很难想象，石墨这种几乎是天然界最软的矿物质，但当被“切”成一个碳原子厚度的薄片时，“性格”竟会发生如此之大的变化。

此外，由于只有一层原子，石墨烯中电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也因此有着全新的电学属性。

作为世界上导电性最好的材料之一，石墨烯中电子的运动速度可达到光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。未来，石墨烯有望成为硅的替代品，制造超级计算机的结构部件——超微型晶体管。据相关专家分析，如果用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会提高数百倍。

同时，放眼周围，我们也可以在许多生活用品中看到石墨烯的身影。

无论是具有远红外发热功能、为身体源源不断提供温暖的石墨烯羽绒服，还是抗菌性更强、透气性更好的新型石墨烯口罩，抑或是融合了压力传感技术、精准地感知人体步态信息的石墨烯智能鞋垫，目前石墨烯和其衍生的二维材料正在被不断开发出来，给人们的生活带来便利。

在颜色方面，与黝黑的石墨不同，石墨烯只吸收2.3%的光，几乎是完全透明的。这个特征使得它也非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。2018年，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要用于生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池，一举破解了使用受限、对角度敏感、不易造型等多项太阳能电池应用难题。

航天领域应用前景广阔

根据堆叠碳原子的层数不同，石墨烯主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等类别。本次在月壤中发现的就是具有3~10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子的少层石墨烯。

据估计，星际碳总量中约1.9%是以石墨烯的形式存在。

我国科学家在发表于《国家科学评论》的文章中这样介绍：他们对嫦娥五号钻采岩屑月壤进行了拉曼光谱分析，发现了石墨碳。接下来，他们通过扫描电子显微成像、透射电子显微成像等多种表征技术的综合运用以及对测试结果的多方面严谨比对分析，探究并证实了这些石墨碳就是少层石墨烯。

这一发现重塑了我们对月球化学成分、地理事件和历史的理解，提供了对月球起源的新见解，拓宽了人们对月壤复杂矿物组成的认知，支持了月球含碳假说，为未来人类对月球资源的利用提供了新的探索路径。

凭借优异的力学、热学、电学、光学、摩擦学性能和超强的抗气体渗透性，未来，石墨烯还将在航天材料领域具有广泛的应用前景。

用于制作超灵敏气体检测器——

石墨烯的致密特性，能够帮助检测到气体当中的单个原子。这样的检测器有一个裸露在外的石墨烯表面，气体分子会有效地吸附在表面。当原子黏附在石墨烯表面，其导电性能会产生微小的变化，科研人员通过分析这种变化来实现气体检测的目的。利用检测器对星体表面气体成分进行检测，可以精准测量原子氧密度。通过减少航天器与原子氧的接触，科研人员可以有效避免其强氧化性对航天器表面材料产生严重的剥蚀影响。

用于制作高真空、原子氧和紫外辐照环境下的润滑添加剂——

石墨烯的特殊结构使其极易进入摩擦副之间的接触面，形成物理吸附膜，从而增强润滑效果，减小摩擦。目前已有科研人员基于石墨烯润滑添加剂增强效应原理，在传统空间润滑剂中添加石墨烯获得高承载力和低摩擦因数的复合空间润滑材料。

用于制作航天器构件——

与其他材料相比，石墨烯强度大重量轻，可以被广泛应用于未来航天器的构件中，而减轻航天器重量意味着减少航天器的能源燃料消耗，节省资金成本。此外，石墨烯还具备较好的抗冲击性，这使得石墨烯成为航天领域应用潜力巨大的材料。

无论是地球还是太空，人们总能找到石墨烯的身影。未来随着研发的进一步深入，石墨烯的应用也将越来越广泛，期待石墨烯材料给人类带来更多惊喜！

来源： 中国军网-解放军报

石墨烯，约等于智商税？

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120倍变焦、120W有线快充/100W无线快充、120Hz屏幕，小雷不得不承认这两年手机的发展速度快得让人难以相信，就算明年曝出个什么200W快充、200倍变焦小雷也不觉得奇怪，谁也不知道手机厂商到底藏了多少王牌。

但是如果曝出哪家手机厂商要用上传说中的“石墨烯”电池，将手机续航和充电速度提升几倍的话，那小雷必然会第一个跳出来辟谣。近年来，网络上关于石墨烯电池的消息多且杂，一些媒体甚至将石墨烯电池宣传为“对锂电池的颠覆性革命”，但实际上石墨烯电池迟迟就没有落地，石墨烯材质也仅用在散热场景中，和铺天盖地的宣传大相径庭。

为何前两年的手机厂商和新能源汽车企业如此热衷于宣传石墨烯技术呢？如今我们又能在哪些产品上见到石墨烯的身影呢？

厂商和石墨烯的往事

早在2015年，华为Mate8还未正式发布前，就有媒体爆料称华为将会在这部旗舰机上应用最先进的石墨烯电池，与传统锂电池相比，石墨烯不但能够提供更长的续航，更快的充电效率还能将发热情况进一步降低从而达到省电和延长电池寿命的效果。

图片为当时的谣言

2018年，荣耀总裁赵明在荣耀Note10的发布会上公布了两大彩蛋，其中就有这个熟悉又陌生的名词“石墨烯电池”，但如今2021年都快过去，我们至今未能见到搭载石墨烯电池的荣耀手机。

除了华为荣耀外，三星也曾拿石墨烯电池技术做过文章，2017年三星就曾递交石墨烯电池的相关专利。2018年他们还拿出了一种搭载“石墨烯球”技术的电池，三星表示这一技术可以让电池容量增加45%的同时将充电速度提升5倍。但现实总是骨感的，我们至今也没能等到三星石墨烯电池的落地。

其实不光是手机厂商，近两年的新能源汽车厂商也喜欢将石墨烯技术作为宣传语，例如某家新势力就在海报上提到了“石墨烯基超级快充电池”这一名词，并表示依靠这种技术能够在8分钟充满80%，实现1000公里的续航，比加油还方便。

相信很多读者都不会相信这一宣传，但小雷还是简单地做了算术题，假设这款新能源车真的用上了石墨烯电池，那么要多大功率的充电桩才能给它供电呢？假设一辆新能源车的电池容量是60kwh，8分钟充85%，就是要在8分钟内，充进51kwh的电量。那么，需要多大功率的充电桩呢？根据公式估算出功率应该在400kW，这个数据在现阶段，几乎等于痴人说梦，比手机厂商公布的石墨烯电池还要玄乎多了。

另外像什么石墨烯家具、内衣、面膜这类听起来就很不靠谱的产品，小雷就不在这里一一举例了。可以说石墨烯从诞生至今几乎没有给市场留下什么好印象，它唯一的用处就是被厂商当作宣传语，被不良卖家当成产品卖点。

不过吐槽归吐槽，小雷还是想理性说一说石墨烯到底是一个怎么样的材料，为何能够成为诸多厂商的宣传常客，在未来它到底又能不能普及到我们的生活当中并带来什么改变？

石墨烯是跨时代产物还是智商检测器？

石墨烯最早于2004年被英国科学家发现，两位科学家成功地从石墨中提取出了石墨烯并证实了它的存在，两者也因此拿到了2010年的诺贝尔物理学奖。自此之后，任何关于石墨烯的新闻，都会成为热点。

简单来说石墨烯就是由碳原子组成的单层石墨，其具有非常好的导热性、电导性以及透光性，再加上高强度、超轻薄等特性成为市场口中的“超级材料”，成本也远超黄金。目前的石墨烯技术主要被用在锂电池电极材料、传感器、半导体器件、透明显示触摸屏等方面，当然石墨烯电池也是其用途之一。

图源水印

不过，我们要清楚一个概念，目前大部分厂商所宣传的石墨烯电池并非是整个电池都采用石墨烯材料制作，而是在电池的电极使用石墨烯材料。 况且大部分有关石墨烯电池的新闻都是被媒体扭曲了事实，例如前文提到的华为和三星，两者在公布技术时分别命名为“高温长寿石墨烯基锂离子电池”和“用于快速充电和高体积能量密度的可充电锂电池的石墨烯球”，本质上都是使用石墨烯材料改善电池电气性能而不是我们熟知的石墨烯电池。

也正因如此，一个原本十分优秀的技术被一些缺乏专业知识的媒体推波助澜后，就成为了“人人喊打”的“无用技术”。甚至在学术界，石墨烯的名声也早已“臭名昭著”，因为拿石墨烯来灌水写论文的人太多了。

回到正文，石墨烯电极对于手机电池的发展还是有很大作用的，相较于传统电容电极，石墨烯超级电容有四大特色：表面积大，有利于产生高能量密度；超高导电性，有利于保持高功率密度；化学结构丰富有利于引入赝电容，提高能量密度；特殊的电子结构可优化结构与性能关系。

图为功能性石墨烯纳米颗粒

简单来说，石墨烯电极能够让手机搭载的锂电池拥有更大的容量、更好的导热性以及容纳更高的充电功率。在这个电池技术遇到瓶颈期的时代，也难免厂商们会把它当作是宣传点之一了，毕竟万一真的造出来了，那必然能够吸引到大量的消费者成为其用户。

那么真正的“石墨烯电池”离我们还有多远？答案是十年、二十年甚至更长，传统的锂电池一般采用金属锂盐做正极，石墨做负极。而真正的“石墨烯电池”，正极一般也是采用金属锂盐，负极采用纯石墨烯或石墨烯复合材料。

但考虑到如今的石墨烯的成本非常高昂，以克为计价单位，纯度越高，价格越贵。根据相关资料显示，按照2021年的市场行情，较高纯度的石墨烯，最贵可以卖到 26000元/克，劣质一些的也都在四位数左右。哪怕一块手机电池用不上多少石墨烯，但对于手机厂商来说这无疑是天价成本，就算真有手机厂商推出了搭载石墨烯电池的手机，消费者也不大可能会买账。因此就目前来说，纯石墨烯电池完全不具有推向市场的条件。

是石墨烯真的没用么？不是，是因为低成本的石墨烯电池几乎没有实用价值，有用的石墨烯电池造价又太高，只能给实验人员用用，普通消费者根本接触不到也买不起。

石墨烯想要普及，得闯过多少难关？

虽然小雷个人认为石墨烯技术想在十年之内普及几乎是痴人说明，但这并不影响小雷期望石墨烯技术能够早日普及，毕竟谁喜欢出门还要随身带一个充电宝呢。但比较可惜的是，就现在看来，十年这个期限有可能还会继续延长，原因主要有二：

首先，由于石墨烯材料被发现的时间比较晚，在2010年后才逐渐名声大噪，因此对于相关企业来说这还是一个“无人区”，没有人敢率先迈出第一步，虽然它能够带来无限可能，但无论是从技术积累还是成本投入来看，这对于企业来说都是一笔难以得到回报的投资；

其次，就算某家企业成功研发出了石墨烯相关的产品，但如何让市场和消费者接受也是一大难题。 由于初期石墨烯成本太高，产品价格自然不会低到哪里去。况且目前石墨烯产业化还处于初期阶段，一些应用还不足以体现出石墨烯的多种“理想”性能，而世界上很多科研人员正在探索“杀手锏级”的应用，未来在检测及认证方面需要面对太多挑战，有待在手段及方法上不断创新。

归根到底，还是我们不清楚石墨烯到底该怎么用，用到哪，怎么能产生经济价值，在面对碳纤维、碳管这类传统产品时，怎么才有持续的竞争力？

从整体来看，石墨烯研究整体还是停留在中低端阶段，仍然缺乏系统高效的石墨烯制备方法，如果有一天真的掌握了快速提取石墨烯的技术，再来提“石墨烯充电宝”、“石墨烯电池”、“石墨烯内裤”才能有说服力。

就像那几家知名品牌的入局与翻车，值得所有厂商与消费者理性思考。如果连自己生产出来的是“有石墨烯导电添加剂的锂电池”还是“石墨烯电池”都搞不清楚就盲目宣传，将技术作为噱头大肆割韭菜，是在消费买家的信任度，必然会造成恶果。

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作者：雷科技团队，致力于聚焦科技与生活，关注并私信回复“01”，送你一份玩机技能大礼包。

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