国防科普加油站（20）石墨烯——无限可能的神奇材料

长期以来，石墨烯一直被认为是一种假设性的结构，无法单独存在。2004年，英国曼彻斯特大学俄裔物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫，通过特殊方法从石墨中剥离石墨片，成功制备出仅由一层碳原子构成的石墨烯片，从此世界上诞生了一种拥有“无数世界之最”的神奇材料。这一突破性成果，不仅证实了石墨烯可以单独存在，而且破除了其无法成功制备（制造）的“定论”。

2010年10月5日，瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔物理学奖，颁给了取得这惊人成果的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫。

石墨烯在带给两位科学家荣誉的同时，迅速在世界上掀起一股石墨烯研究热潮，并不断取得新的研究成果。科学家研究证实，石墨烯是目前世界上已知的强度最高和质量最轻的材料，石墨烯片材可用于超轻质飞机、红外导引头、激光武器、光电探测装备、超轻便防弹衣等研发应用，甚至可用于保护航天器免遭空间碎片的破坏，在军事航天、军用能源、军用发动机以及核武器开发、海水淡化、装甲防护、极高频卫星通信系统及柔性显示等方面具有广阔的应用前景。

实验室里走出的“多面娇娃”

石墨烯虽然一度被科学家认为不可能在有限温度下单独稳定存在，然而它的诞生就像是“捅破一层窗户纸”――实验室里，科学家通过一种简单易行的机械剥离法，从石墨表面剥离出石墨片，然后把石墨片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带将其一分为二，如此重复操作，就使石墨片变得越来越薄，直到最后“撕”成由一层碳原子构成的薄片，石墨烯就这样诞生了。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。”

由于石墨烯是由一层碳原子构成，因此它又被称为单层石墨，其原子排列与石墨的单原子层相同，是一个按六边形蜂巢结构排列形成的二维平面晶体。从广义上来说，层数小于10层的石墨都可称为石墨烯。

石墨烯如同是一个“多面娇娃”，具有一般材料所不具备的众多优异性能，它占据着太多的材料世界“之最”。它的理论厚度只有0.34纳米，仅为头发丝的20万分之一，是目前世界上最薄的材料；1毫米的石墨薄片，居然能剥离出多达300万片石墨烯，1克石墨烯可以覆盖一个足球场，它是目前世界上最轻便的材料；它的强度为优质钢的200倍、钻石的2倍，毫无疑问，它是目前世界上强度最优的材料，如果把一片像食品保鲜膜一样的石墨烯覆盖在一只杯子上，想用一支铅笔戳穿它，需要一头大象的重量压在铅笔上。

在石墨烯内，碳原子就像细铁丝网围栏一样排列，其对可见光的吸收只有2.3%，近乎是透明的。这种结构也使得它十分柔韧，即便大角度弯曲也不会断裂，因此它是最柔韧的材料。此外，它还具有电阻率最低、热导率最高、吸附性很好、过滤性很强等其它材料望尘莫及的优越性能。

正是因为石墨烯拥有非同一般的神奇特性，科学家预言它将彻底改变21世纪，有望掀起现代电子科技领域一场新的革命。

“石墨烯+”引发产业变革

这种用胶带“撕”出来的小小的石墨烯，在带给两位科学家诺贝尔奖荣誉的同时，迅速在世界上激起了巨大波澜，引发了全球的研发热潮，近年来在许多领域催发出突破性的进展，很多神奇特性不断被发现，作用机理不断被破解，应用潜力不断被挖掘，由此引发了一场“石墨烯+”的产业变革。

石墨烯诞生于石墨，储量丰富、价格低廉，它独特的二维晶体结构和诸多物理、化学、生物学等特性，使它迅速呈现出广阔的应用前景，其研发成果已开始进入人们的生活。

科研人员运用石墨烯的超大比表面积和优越导电特性，研制的多种基于石墨烯的储能设备已相继问世，突破了现有电池容量小、充电时间长的瓶颈。2011年11月，美国西北大学的研究团队研发出一种采用石墨烯和硅材质的电动汽车电池，充电量比以前增加了十倍，充电15分钟可以实现约一周的续航能力。

2014年2月，我国中科院金属所研发出一种石墨烯锂硫电池，储电能力达到目前锂电池18倍以上，与目前电动汽车的电池相比，电池重量下降90%以上，一次充电不超过10分钟，巡航里程超过450公里，每公里成本下降4/5，电池寿命超过30年。这些新型电池不仅在民用领域大有作为，在各种军用设备特别是无人飞机、单兵携带电源方面发挥重要作用。

石墨烯超薄、超轻、超强、超韧性、超过滤性和超透光性等特点，是研制轻型战机、航天器、激光武器、核武器和维护保障等装备的重要材料，也可用防弹衣、装甲车辆、防御工事等新型高性能军事装备，在减轻重量的同时提高其防护能力。

伴随石墨烯衍生技术的迅猛发展，由其制造出的超高频率晶体管以及柔性触摸屏正方兴未艾。前者可用于支撑起更加安全隐蔽的极高频军用卫星通信系统，后者则是能够像衣服一样柔软地穿戴在身上。这种以前在科幻片中看到的场景，今后很可能成为现实。

未来依旧任重道远

石墨烯问世以来，其理论研究与应用开发不断取得进展，下游应用领域巨大的行业需求更为整个石墨烯产业链提供了充足的发展空间。

然而，石墨烯与其它新生事物一样，其技术研发和产业化也不可能一帆风顺。尽管目前一部分技术要求较低的石墨烯产品相继问世，但受限于制备技术与工艺，那些依赖于高纯度石墨烯的产品，可能需要几年甚至数十年才能开发出来。因为，这一“神奇”材料仍有许多未能克服的技术困难，比如石墨烯的规模化制备、大尺寸石墨烯的工艺创新、石墨烯的化学改性或改良、石墨烯复合材料的加工等等。正如石墨烯的发现者所言，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。只有人类共同努力，积极克服所有这些困难和障碍，石墨烯的很多应用才能梦想成真，才能发挥出更大的潜能，从而真正成为改变世界的一种“万能”材料，并对国防和军事产生革命性的影响。

令人欣喜的是，目前，美国加州理工学院科研人员开发出一种在室温下制备石墨烯的全新技术，中国科学家也发明了一种石墨烯的快速制备方法，使石墨烯的商业化进程向前迈出了坚实一步。

（作者：王群，来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）

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