这场革命，从撕胶带开始……

在往届冬奥会中，曾出现过现场寒冷导致大量观众提前退场、媒体记者和志愿者手脚冻僵难以正常工作的情况。

本届北京冬奥会运动场馆的温度最低可达零下30多摄氏度，而高科技材料石墨烯有效帮助了工作人员和5G转播设备等抵御低温挑战。在通电的情况下，石墨烯产生的热能以平面方式均匀地辐射出来，可以很好地被人体接受，产生由内而外的温暖。

石墨烯的发现者之一、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆(Andre Geim)这样描述石墨烯：“石墨烯对很多人来说就像爱丽丝仙境一样，非常神奇。”

石墨烯，神奇在哪？

文丨崔赫翾 瞭望智库观察员

本文由瞭望智库综编。

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石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬，导热、导电性能最好的一种新型纳米材料，它的热传导能力是金刚石的两倍以上，机械强度比钢铁强200倍，导电性比银和铜还强，被称为“黑金”以及“新材料之王”。

作为碳材料家族的新成员，石墨烯与石墨、金刚石一样，都是碳的同素异形体。石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构，1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是数不清多少层的石墨烯。

2022年2月17日，北京石墨烯技术研究院展厅内展示的石墨烯原料。图｜视觉中国

1987年，法国《矿物化学》杂志的一篇论文中首先出现“graphene”（石墨烯的英文名称）一词，用于描述单层的石墨片层。不过，这个概念在提出后并没有引起多少人关注石墨烯本身，而是多用于描述日本科学家饭岛澄男发现的碳纳米管。

在当时，石墨烯之所以没能获得足够的关注，是因为早在70多年前，理论研究就表明，完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。

有理论认为，物质的熔点会随着其尺寸的减小而减小，当物质的尺寸达到原子级别时会变得很不稳定，倾向于分离成岛状结构或分解。石墨烯作为一种原子厚度级的二维晶体材料，显然违背了这个理论，许多科学家就止步了。

不过，几十年来还有一些科学家在积极实验，寻求突破：

1979年，科学家在真空条件下加热掺有碳的单晶镍时，在不同的温度下分别检测到了薄层墨片和较厚的石墨片的生成；

1988年，科学家在利用蒙脱土片层间的二维罅隙制备高定向石墨的过程中，观察到了石墨烯的存在，但是当时所制备的石墨烯只能依附于模板而存在。

直到2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）

和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种非常简单的实验方法突破了科学家们的理论认知。

他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。就这样不断操作，薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

其实，实验室里用胶带粘石墨是常规操作。因为石墨是片状结构，需要用仪器观察石墨时，研究员往往会用胶带去除石墨表层，从而露出一个干净的表面。盖姆从这样的日常操作中，通过想象力完成了一个不可能的任务。

2004年10月，他的研究小组在《科学》杂志上发表了这一研究成果，震撼了科学界。6年后，两位发现者就共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

在科学家眼中，石墨烯超乎寻常的性能让几乎所有已知材料都难以望其项背。

在力学性能力方面，石墨烯的抗拉伸强度值超过常规钢铁材料100倍；

在传输电子能力方面，常温下石墨烯的电子迁移率超过本征半导体硅10倍；

【注：本征半导体（intrinsic semiconductor）是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。】

在热传导能方面，石墨烯的热传导率值超出热的良导体金属铜10倍；

在光学透过性方面，单层石墨烯对太阳光的吸收率仅为2.3%，几乎是完全透明的。

单原子层的特殊结构赋予了石墨烯极大的比表面积，单层石墨烯的理论比表面积可达2600平方米/克。

盖姆说：“它是有史以来强度最大的物质，是我们所知道的最坚固的材料，它还是拉伸强度最好的晶体。当然，它的超强性能还不止这些，但这已经让人相当吃惊了。”

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2020年4月23日，中国科学院山西煤炭化学研究所内，研究人员研制石墨烯新能源材料。图｜视觉中国

近些年来，航空航天产业对复合材料的性能提出了更高的要求，而具有高强度、高导热、抗电磁干扰等性能的石墨烯应用前景广阔，可应用于大型微波暗室用吸波材料、飞行器与武器平台隐身、轻质复合材料、抗雷达干扰线缆、航空航天热管理系统、飞机轮胎、雷达电磁屏蔽等领域。

在光伏产业中，石墨烯可以凭借其提高玻璃透光率与玻璃自清洁能力，达到进一步提升组件功率、提升组件发电能力的目的。就自清洁能力而言，常见的组件技术往往只具备超亲水或者光触媒效果，而将这两种技术完美融合在一起的只有石墨烯技术。

在军工领域，添加了石墨烯的复合材料可以很大程度增强耐撞击性，可以应用在空投箱、子弹箱、装甲车辆上，替代钢铁部件；可以用于制造防弹头盔、防弹背心；还可以应用到登陆舰艇，从而满足轻量化、抗撞击、防弹的特殊要求。凭借电磁屏蔽性质，石墨烯也可以用来做隐形飞机、隐身材料……

在生物医药领域，石墨烯的应用主要集中在生物传感器、药物载体、光线疗法及生物成像等方面。举个例子，人体能发射远红外光，而石墨烯具有超高的载流子迁移率，远红外光投射到它上面后产生的电子可以被迅速地采集。这样，戴上用石墨烯镜片制成的眼镜，就可以在夜里看清一切东西。此外，还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。

在电子信息领域，石墨烯潜在的应用主要集中在柔性显示和触摸屏、传感器、RFID、散热材料等领域。传统透明导电膜大都采用ITO材料，ITO含带毒性的稀有元素铟，而且价格昂贵，缺乏柔韧性。因此，不少厂商已在开发新型的透明导电膜。目前ITO的替代材料有金属网格、碳纳米管、纳米银线等，但它们均有不同程度的缺陷，这给石墨烯提供了足够的替代空间。

盖姆在获得诺贝尔奖之后曾到访三星公司，当看到三星公司编制的石墨烯产品路线图的50个特殊性能应用的时候，他认为最接近合理市场价值的应用之一是其柔韧性极好的触摸屏。

在环保领域，盖姆研究发现氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，由此发现石墨烯有望用于制备过滤器材料，从而在海水净化、污水处理等方面实现应用。

不仅如此，科学家对石墨烯最终取代硅成为计算机芯片的基础材料，也持乐观态度。

对于普通人的日常生活来说，盖姆曾经用塑料来类比过石墨烯，他认为石墨烯可以开发出种类繁多的材料，就好像塑料一样，未来可以应用到生活中的各个角落。科研人员也发现石墨烯可用做绷带、食品包装甚至抗菌T恤。

还有一些科学家有着更远大的理想，他们将制造2.3万英里长的太空电梯的梦想，也寄托在石墨烯上。

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据统计，我国石墨矿储量占到世界总储量的75％，具备发展石墨烯产业的资源基础。2004年至2013年，我国石墨烯处于实验室研究阶段，研究的产品包括晶体管、调制器、导电管等。

2021年6月19日，一条石墨烯生产线搬入哈尔滨新区。图｜视觉中国

2013年起，石墨烯商品开始出现。由于制备技术还不成熟，只有一些对石墨烯质量要求不高的产品实现商品化，如锂电池、石墨烯散热薄膜等，但这些产品下游需求不大，主要替代一些传统材料。在此期间，2012年工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料就包括石墨烯。

此后，我国又进一步明晰了石墨烯未来十年发展目标——

电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料：较现有材料充电时间缩短50%以上，续航里程提高1倍以上；

海洋工程等用石墨烯基防腐蚀涂料：较传统防腐蚀涂料寿命提高1倍以上。

柔性电子用石墨烯膜：性价比超过ITO，且具有优异柔性，可广泛应用于柔性电子领域；

光电领域用石墨烯基高性能热界面材料：石墨烯基散热材料较现有产品性能提高2倍以上。

整体突破石墨烯的规模制备技术：石墨烯粉体的分散技术，石墨烯基电极材料的复合技术。 

2016年，科技部印发《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，提出要发展单层薄层石墨烯粉体，高品质大面积石墨烯薄膜工业制备技术，柔性电子器件大面积制备技术，石墨烯粉体高效分散、复合与应用技术，高催化活性纳米碳基材料与应用技术。

从这一年起，我国石墨烯企业数量快速增长，仅当年全国新增注册石墨烯相关企业数量就达704家，同比增长113%，其中多以研发为主，有实质性业务收入的企业数量仅为125家。

截至2020年6月底，我国在工商部门注册的、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已经达到了16800家。全国成立石墨烯产业园29个，石墨烯研究院54家，石墨烯产业创新中心8个，石墨烯联盟12个，分布在21个省市。

“国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发，而中国则非常重视近期的实用性产品的开发。” 中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范说。

刘忠范还介绍，目前，中国石墨烯产业有“三大件”，约占总体产业的90％：一是新能源，将石墨烯用作锂离子电池的导电添加剂，使电池充电速度更快，电容量也有提升；二是添加进防腐涂料，节省防腐涂料中较贵的锌的含量，同时提升防腐性能；三是大健康领域，比如利用其导热性能制作眼罩、护膝等理疗产品。

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石墨烯一经发现就在世界各国备受追捧，在资本市场更是追逐的焦点，这也导致了五花八门的石墨烯概念和应用被炒作过热。

比如，上周科学家刚刚发表一篇关于石墨烯离子筛性能的文章，本周资本市场就会联想到海水淡化的市值，相关股票随即暴涨。

很多企业号称的石墨烯新品，只是往产品里面加入了少量石墨烯，提高了相关性能，石墨烯扮演的多是添加剂的角色，新品也很难能被认为是真正的石墨烯产品。

2018年的《先进材料》上曾发表一篇文章，作者之一是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。这篇文章中，研究者们分析了来自美洲、亚洲和欧洲60家公司的粉体石墨烯样品，发现大多数公司的样品中石墨烯含量低于10％，而且没有一家样品中石墨烯的含量超过50％。

此外，石墨烯的极强导电性、强度、透光性和导热性等特性，只是单原子厚度石墨烯的微观性能，而当下伪石墨烯概念炒作，将石墨烯的微观性能夸大为宏观性能。

比如，石墨烯的厚度只有0.35纳米，即使是1毫米厚的钢板，也是石墨烯厚度的200多万倍。即使石墨烯强度较高，也要几千层石墨烯叠加在一起才能承受1毫米钢板所能承受的力量。

严格意义上讲，只有单层石墨片才是真正的石墨烯，但从应用的角度讲，大家的共识是，10层以下可称为石墨烯。石墨烯一旦叠加大约超过10层，就会丧失大多数独有特性，重新变成石墨，更不要提几千层。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准委员会主任戴石峰曾指出，一些企业把石墨烯神化，将其宣传为万能材料，个别企业甚至将石墨当石墨烯来售卖，这对产业的发展极为不利。

学术界对石墨烯的共识是，目前石墨烯材料的成本过高且技术方面不完善，若要大规模实现工业化应用尚存在一定的困难。

在现在常见的制备方法中，氧化石墨还原法是最常用的方法，但这种方法常常会带来大量的废酸、废水。比如用浓硫酸加上高锰酸钾去煮石墨，生产1公斤石墨烯需要耗费50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水。

而化学气相沉积法（CVD），是将乙烯或乙炔等气体导入到一个反应腔内，让这些气体在高温下分解，经过冷却后，碳原子就沉积在基底表面形成石墨烯。虽然CVD能满足规模化制备大面积、高质量的石墨烯要求，但成本较高、工艺复杂。

而由于制备成本一直居高不下，石墨烯价格一度高达5000元/克，比黄金还贵十几倍，这也阻碍了石墨烯下游市场的产业化步伐。

石墨烯未来会如何？

中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春认为，“业界虽然有争议，但科技创新，什么事情都可能发生，我们要有开放的心态。”

参考资料：

1.石墨烯：神奇材料看这里！丨经济日报，2020-10-21

2.新材料之王“石墨烯”究竟是什么？丨杨杰，中国科学院物理研究所

3.专访｜诺奖得主盖姆谈三维世界中的二维石墨烯：材料革命来了丨澎湃新闻，2022-2-19

4.神奇材料石墨烯——2010 年度诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆访谈录丨世界科学，2010-12

5.石墨烯利好政策频现，理性发展未来可期丨新材料产业，2017-10

6.石墨烯的这十年丨百科知识，2014-12

7.石墨烯发展年度报告：我国石墨烯产业仍处在概念导入期丨新华社，2017-07-06