【天天新视野】从塑料到石墨烯，材料怎样革新未来？

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塑料，是20世纪最伟大的发明之一。1869年，印刷工人约翰·海厄特发现，在硝化纤维中加进樟脑，改性后的硝化纤维柔韧性和刚性都非常优异，通过热压后可制成各种形状的制品，这种材料被命名为“Celluloid（赛璐珞）”，这也是最古老的塑料制品。三年后，这种古老的塑料制品开始投产，大部分用于象牙代用品、马车和汽车的风挡和电影胶片等，从此开创了塑料工业。

不过，塑料的爆发应用，则来自于1907年的贝克兰合成了可塑性材料，可塑性材料为此后各种塑料的发明和生产奠定了基础，并逐渐走进了电话、收音机、枪支、咖啡壶、台球、珠宝，甚至第一枚原子弹里。

而现在，一种可以与塑料媲美的新材料已经诞生，那就是石墨烯。正如塑料对这个世界的改变一样，石墨烯也正在改变世界。如果说塑料的发明是20世纪的最伟大的新材料，那么，石墨烯或许就将成为21世纪的颠覆性材料——石墨烯所彰显的巨变的力量，一点也不比当初的塑料少。

塑料和石墨烯一样，都是由碳基分子形成的。碳原子的长链和其他元素按照重复结构单元连接在一起，这通常被称为聚合物，也就是塑料的专业名称。只不过，塑料瓶和购物袋并不是唯一的高分子聚合物形式。包括淀粉、蛋白质或 DNA 在内的天然聚合物都是促成身体机能运转的要素。

实际上，聚合物很早就已被人类发现，但一直未能投人重要应用当中。直至在人类 20 世纪初首次从石油当中提炼出聚合物后，它才得到大规模应用。1907年，利奥·贝克兰发明的第一种塑料制品就是聚合物，此后，一系列为人熟知的塑料品种才相继出现，包括聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯（PVC）聚乙烯、尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯等等。

当前，塑料几乎在所有领域都得到广泛应用——人们用聚对苯二甲酸乙烯制成的瓶子喝水；穿着尼龙和聚酯纤维制成的服装，开着配备各种塑料部件的汽车；人们乘坐的飞机上都是装有塑料的舱顶行李箱；而人们日常使用的收音机、电视和电脑则全部采用流线型的塑料外壳。

而过去这种对于塑料应用的想像，今天也被人们如出一辙地复制在了石墨烯上。2010年10月5日，瑞典皇家学院宣布了当年诺贝尔物理学奖获奖者及其获奖理由：安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）制备出了石墨烯材料，并发现其所具有的非凡属性，向世界展示了量子物理的奇妙。

实际上，石墨烯的理论研究距今不过60多年的历史，其曾被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。现实中，人们常见的石墨就是由无数层石墨烯堆叠在一起构成的（厚1毫米的石墨大约包含300百万层石墨烯），用铅笔在纸上轻轻画过，留下的痕迹就有可能是一层或数层石墨烯。由于石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离成薄薄的石墨片。如果能找到方法将石墨薄片进一步剥成只有一个碳原子厚度的单层，就能得到石墨烯。

正是基于这一原理，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年用机械剥离法首次成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，即一种由乙苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。特殊的结构使得石墨烯成为构成其他石墨材料的基本单元，它既可以翘曲成零维的富勒烯（巴基球），也能卷成一维的碳纳米管，还可以堆垛成三维的石墨。

不过，石墨烯最出名也最神奇的一点，就是：它是一种二维材料。石墨烯当然有厚度，但是只有一个碳原子那么厚，稍微薄一点或者厚一点都不是石墨烯。如果加一层碳原子到石墨烯上，就成了石墨；如果从石墨烯中取走一层碳原子就什么也不剩了。石墨烯的发现不仅打破了自然界中不可能存在二维结构物质的传统观念，极大地充实了碳材家族，还为促进传统产业转型升级、引领战略性新兴产业快速崛起找到了关键材料。

而石墨烯的神奇特性正是由这种独特的结构赋予的——用肉眼观察，石墨烯呈黑色粉末状，握在手里轻若无物，但却是目前人类已知的导电导热性最佳、重量最轻、强度最大、韧性最好并具有极高透光率和高比表面积的材料。凭借自身良好的光、电、热、力等性能，石墨烯被人们寄予了诸多超乎想象的功能，并成为碳时代的“黑金”。

众所周知，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，推动着整个人类文明的演化。从木石泥，到铜铁钢，再到硅晶片、碳纤维，历史经验表明，人类社会每一个新时代都会有一种新材料出现，而这种新材料往往成为那一时代生产力提升的“发动机”。不过，对于过去的材料来说，都无法逃脱随着使用时间的延长而出现损耗的宿命。

比如，牛仔裤会因穿着时间长，面料变得稀疏，甚至出现小洞；厨房搅拌机最终会因为用于调整马达速度和搅拌强度的齿轮因长期磨损而彻底断裂而无法启动；连汽车也会因为变速器的老化而报废，随着时间的推移，摩擦会造成损耗，传动装置自然就会失效。

而材料最终会走向损耗的根本原因，其实很简单，就是因为摩擦力的存在。当两个表面相互摩擦时，实际的接触点只有纳米大小——只不过是在几个原子间产生摩擦。造成摩擦的原因则相对复杂，既要考虑表面的粗糙度，又要考虑材料形状的微小变化和表面的污染情况。在出现摩擦时，运动表面间产生的能量将转化为热能，从而导致一些潜在的破坏性结果。

比如，汽车发动机内的活动部件以及驾驶过程中此类部件相互摩擦产生的热量，就是我们使用机油和冷却系统的主要原因。如果不进行润滑和冷却，发动机产生的热量将迅速损毁发动机，还有可能致使汽车起火。

然而，石墨烯却完美解决了过去材料因为摩擦力而导致的缺陷。基于这个特性，当前，石墨烯涂料现已应用于小型机械部件，不仅能够显著提高部件的使用寿命，而且几乎能够避免因摩擦产生的无效热量。

不仅如此，当石墨烯应用于微型机械时，人们还可以在石墨烯涂层中有选择性地添加杂质，以实现原子级的校准。这样一来，除了在指定的运动方向上几乎可以彻底避免摩擦产生外，同时还可以让其他方向上的运动仍能产生摩擦。这种被动的自我校准方案已通过实验室测试。

除了摩擦力小之外，石墨烯还拥有另外一项革命性的应用价值，就是超高的强度。如今，各种产品提升强度和抗断裂性能的方法之一就是加大产品的体积：增加塑料或木板的厚度，使其不易破裂；通过加大密度来提升材料的强度；附加梁木或固件来分担材料在使用过程中承受的压力。这些解决办法都会产生一个共同的副作用——在提升强度的同时，也增加物体的重量。随着而来的问题是，人们是否会愿意为了实现防摔的功能而增添物品的重量？

不仅如此，对于汽车来说，在某些硬件处使用密度更大的材料通常会使安全性得到提升，然而车身的重量一旦增加，燃油的经济性便会下降。而只要使用石墨烯代替传统的设备强化方法，我们就可以在使物品更加坚固的同时使物品的重量更轻。无论是并未发生实质性损毁的汽车引擎和轮胎，还是无需因日常磨损而频繁维护的机械设备，石墨烯几乎都可以改善它们的耐用性能。

最后，也是石墨烯最为人们所期待的特性，就是“轻便和柔韧”的特性。石墨烯是由排列在平面上的单层原子构成的，不仅非常纤薄，而且强度极高，这也就意味着，石墨烯可经弯折、卷曲、折叠处理，塑造出任何能够想象的形状。石墨烯材料不仅能被拉伸至原尺寸的 120% 而不发生断裂，还能够轻松恢复到初始状态。除此之外，石墨烯还能将投射到材料上的92%的可见光传输出去。也就是说，石墨烯不仅轻便、柔韧、可导电，而且几乎是隐形的。

这为未来的智能设备奠定了材料的基础。比如，使用石墨烯作为材料的薄膜电脑可在隐形状态下覆盖车窗玻璃，从而为即将实现自动驾驶功能的汽车提供地图和实时路况报告，帮助驾驶员在任何两地间行车时选择最佳路线。以石墨烯薄片为材质的计算机类应用，还包括可与隐形眼镜相结合的微型嵌人式电脑。在未来，人们可以利用抬头显示技术，随时将需要查询的信息展现在自己眼前。

放眼未来，如果石墨烯的性能被彻底发挥出来，那么大数据、物联网、云计算、智能设备等各项前沿领域将会取得重大突破，不仅将会实现“万物互联”，人们习以为常的生产生活方式也会被彻底颠覆。

当前，石墨烯被形象地称为“黑金”“万能材料”“新材料之王”“未来材料”和“革命性材料”，甚至有科学家预言其极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术革命，进而彻底改变21世纪。

不过，石墨烯好则好矣，但却离普通消费者仍有一定的距离。究其原因，除了制造、营销及配售新产品或改造产品常见的障碍外，石墨烯产品所面临的其他困难还包括：创建和维护原材料供应链、与拥有牢固客户基础的技术展开竞争，以及应对不可避免的法律问题。

其中，最重要的还是两方面的原因，一方面，石墨烯还面临制造的障碍。目前，石墨烯的制造难度仍然很大，当前，制备石墨烯有4种主流方法：机械剥离法、化学气相沉淀法（CVD）、碳化硅（SiC）外延生长法和氧化还原法。

其中，机械剥离法是实验室制备石墨烯的主要方法，也是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法；化学气相沉淀法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法；碳化硅外延生长法虽然可以制得大面积的高质量单层石墨烯，但受单晶SiC的价格昂贵、石墨烯生长条件苛刻、生长出来的石墨烯难以转移等因素影响，其目前主要用于以SiC为衬底的石墨烯器件的研究；氧化还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。

好在随着世界各地的公司纷纷加人石墨烯生产大军，且生产石墨烯的新方法仍在以惊人的速度不断涌现。目前来看，似乎我们确实有可能在几年内实现石墨烯的大规模生产当然，部分企业仍将专注于小批量、定制化的石墨烯生产（如生产出长度在毫米至厘米间，甚至更短的石墨烯薄片），这种石墨烯可用作添加剂或与其他材料结合使用。而要想真正达到实用且能够产生效益的阶段，石墨烯的年产量至少需要超过数千吨。

另一方面，在被广泛应用之前，石墨烯必须兑现市场预期，提供比现有技术更高的效益或者更低的价格。此外，石墨烯还须在顾客指定时问内保质保量地实现大批量供货。而面对每年成千上万新型石墨烯应用专利的申请，当前，全球石墨烯产量仅可勉强满足实验室研究人员的需求，商用市场根本无从谈起，因此高质量的石墨烯产品价格相当高。

不过，如果基于石墨烯生产的 “杀手级应用”被发明出来，那么石墨烯市场或将迎来一场批量化生产的竞赛，以满足这一需求。一旦产量增加，特别是出现很多供应商后，每单位的石墨烯产品的价格就会下降，只有这样，一个强大的商业市场才能形成。

人类工业化的历史经验表明，新材料的发明制取在现代产业体系中扮演了举足轻重的角色，屡次催生出新产业甚至是新产业群。然而，新材料在产业化过程中，往往在技术、市场和组织等方面存在极大的不确定性。而如果按照硅材料产业的成熟周期为20年来推断，石墨烯产业化成熟还要5~10年，因此，石墨烯想要真正引领“黑金”时代，还有一段路要走。

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