石墨烯材料最新进展，石墨烯的神奇之处
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|来源：经济日报
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图为我国研发的全球首款石墨烯柔性屏可弯曲智能手机，可直接佩戴在手腕上。 （文件图片）
有没有一种薄膜的强度足以支撑铅笔尖座上大象的重量而不留下一个洞？石墨烯可以做到这一点。这种神奇的材料是如何“炼制”出来的？近日——记者走访《资本科学百讲堂》为您一探究竟。
近日，中国科学院院士、北京石墨烯研究所所长刘忠范在北京科学技术协会主办、北京市委特别主办的第667期“首都科学大讲堂”上作报告九三协会。当天，北京石墨烯研究所副所长、石墨烯器件技术研究室主任魏迪向公众揭晓了荣获2010年诺贝尔奖的明星材料石墨烯——。
诺贝尔奖奖品被玻璃纸胶带撕下
石墨烯天然存在于自然界中，但其单层结构很难剥离。 1毫米厚的石墨含有约300万层石墨烯。用铅笔在纸上轻轻划一下，可能是一层石墨烯——。石墨烯——是一种二维碳材料，由六边形蜂窝结构中周期性堆积的碳原子层组成。石墨很早就被发现，但石墨烯直到2004年才被发现。 70多年前，理论研究表明，完美的二维晶体不可能在绝对零以外的环境中稳定存在。
2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法推翻了原来的理论认识。当从高取向热解石墨�**胧⒃诹矫嬲程厥饨捍保苯捍凰旱羰保至殉闪桨搿Ｋ孀耪飧霾僮鞯募绦谋涞迷嚼丛奖。钪盏玫浇鲇梢徊闾荚幼槌傻钠摹饩褪鞘＠砺凵喜豢赡艹晒Γ笛槿闯晒α恕Ｕ庖环⑾至⒓凑鹁丝蒲Ы纾轿环⑾终吖餐倩�2010年诺贝尔物理学奖。
“人们常说，石墨烯的诺奖是用透明胶带撕下来的，确实，这么简单却很重要的发现，不容小觑。”刘忠范先生表示，拥有一位背景深厚的科学家很重要。勇敢和大胆的努力非常重要，探索也很重要。
石墨烯因其具有许多神奇的特性而被称为“新材料之王”。石墨烯是最薄的材料，因为它只有一个原子层，而且它也是最强的材料，理论上比钢强200倍。它是最优异的材料，导电率是银的1.6倍，导热率是铜的13倍。
刘忠范先生介绍，石墨烯是最强的材料之一，并表示石墨烯韧性高、可以弯曲、具有超强的导热性和导电性，因此具有潜在的应用前景，非常广泛。它是一种透明导电薄膜，可以让电子以非常高的速度行进，其在室温下的电子迁移率是硅材料的10倍，因此可以用作超高速集成电路，并且重量轻、成本低。强的。 -它是一种高强度材料，在航空航天领域有着非常广泛的应用。应用前景；其电磁屏蔽性能还可用于隐身飞机和隐身材料的制造……
还可以生成类似科幻电影场景的炫酷应用程序。
“石墨烯的酷炫应用是基于其酷炫的材料特性。石墨烯具有非常高的载流子迁移率，可以让电子移动得非常快。它是一种常用的导电材料。如果柔性材料是高速公路上的汽车，那么石墨烯就是其中之一。超级跑车。”魏迪表示，这种性能可以让它用于智能夜视眼镜等很酷的设备。
人体可以发射远红外线，而石墨烯具有极高的载流子迁移率，因此可以快速收集表面受到远红外线照射时产生的电子。这样，用石墨烯镜片制成的眼镜即使在晚上也可以看到一切，并且还可以收集用户自身的生理数据，例如血糖水平和脑电波。同时石墨烯具有光学透明性，因此可以作为显示屏来显示多种信息。出行时即时查看交通状况、附近酒店、景点、餐厅等服务信息。
石墨烯行业的实力企业有哪些？
然而，尽管理想很丰满，现实却依然很单薄。现在市场上能买到的石墨烯可能只是石墨。
2018年发表了一篇论文，编号为《先进材料》，作者之一是石墨烯领域诺贝尔奖获得者Konstantin Novoselov。研究人员分析了美洲、亚洲和欧洲60 家公司的石墨烯粉末样品，发现大多数公司样品的石墨烯含量低于10%，没有一个样品的石墨烯含量超过50%，事实证明并不存在。
单层石墨烯是实验室产品，但工业化大批量生产多少层石墨烯呢？
“从应用角度来看，一般的共识是10层以下才能称为石墨烯。但严格来说，真正的石墨烯只是单层石墨片，层数就是普通的传统粉末石墨。”刘忠范说。
石墨烯一般分为两类：粉末石墨烯和薄膜石墨烯。这两类石墨烯的制造方法完全不同，应用领域和场景也完全不同。
在大规模工业制造中，石墨烯粉末通常是通过化学反应剥离石墨层来获得的。然而，这种氧化还原过程经常产生大量的废酸和废水。例如，如果用浓硫酸和高锰酸钾煮石墨，生产1公斤石墨烯需要50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水。
大规模生产薄膜石墨烯最典型的方法是化学气相沉积技术。即石墨烯是在高温炉中通过高温化学反应逐层生成的。例如，在1000 摄氏度下让甲烷穿过铜箔会产生单原子石墨烯层。
我国石墨烯产业现状如何？数据显示，截至今年6月底，我国工商部门注册的石墨烯相关企业有1.68万家。全国已建立29个石墨烯产业园、54个石墨烯研究院、8个石墨烯产业创新中心、12个石墨烯联盟。
从石墨烯领域发表的论文数量来看，我国自2011年以来一直领先世界，目前已占世界总量的三分之一以上。此外，日本在石墨烯领域的专利申请数量最多，约占全球专利申请的70%。我国粉状石墨烯的生产能力非常大，达到每年5000吨以上。我国薄膜石墨烯生产也处于世界领先地位，年产能约为650万平方米。
“但需要看到的是，与欧美、日韩相比，中国石墨烯产业的关注重点并不完全在同一个渠道。国外更感兴趣的是开发真正反映世界的未来技术。” “中国了解石墨烯新材料的特性，中国非常重视近期实用产品的开发。”刘忠范表示，中国正在密切关注未来的核心技术，虽然目前获得的还比较少。值得注意的是，总体来看，我国石墨烯基础研究和产业化优势依然存在。走在世界前列。
魏迪认为，未来我国石墨烯产业应更多关注光电器件、传感器器件等高附加值产业。
什么是“杀手级”应用程序？
到目前为止石墨烯已经尝试过哪些应用？
刘忠范介绍，我国石墨烯产业有“三大要素”：一是新能源，利用石墨烯作为锂离子电池中的导电添加剂，实现电池充电、提速、增容，二是添加石墨烯防止腐蚀。第三，其导热性能可用于制作大型产品，如眼罩、护膝等理疗产品。健康领域——。这三者约占我国石墨烯产能的90%。
此外，中国还拥有石墨烯触摸屏、电池、导热膜石墨烯手机等高端石墨烯产品。
那么，石墨烯在世界各地都有哪些用途呢？ 2019世界移动大会上，专门设置了石墨烯展厅，展示石墨烯在数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域的应用。例如，由石墨烯制成的超灵敏电子传感器可以检测有害气体，由石墨烯制成的宽带图像传感器可以同时检测可见光和红外光。
石墨烯几乎是通用的，但目前石墨烯材料应用广泛但不专门化。那么未来石墨烯真正不可替代的“杀手级”应用会是什么呢？
刘忠范说，“‘杀手级’使用意味着没有它我们就无法工作。目前还没有发现石墨烯的‘杀手级’使用。”可以从两个方向入手。一种是逻辑思维型，一种是惊奇型。
逻辑推理的应用可以从石墨烯本身的性能来推断。例如，目前的透明导电薄膜是ITO玻璃的一种，缺乏柔韧性，且含有稀有元素铟。石墨烯薄膜具有非常好的导热性和导电性，透明、柔韧，并且仅含有廉价的碳原子。未来，石墨烯薄膜作为透明导电薄膜用于制造可穿戴柔性电子设备具有广阔的前景，可能成为“杀手级”应用。
不合逻辑和意想不到的用途需要研究人员进行创造性思考。 “比如我们在蓝宝石上生长石墨烯，与LED结合，制成LED照明器件，在其他工艺不变的情况下，发光效率可以提高30%以上。”刘忠范说，一旦产业化，下一代LED节能照明装置将彻底淘汰现有的照明装置，也可以被认为是“杀手级”应用。
“‘杀手级’应用是其他材料无法替代的，因此我们需要基于石墨烯材料的独特优势，探索和放大‘杀手级’应用。”魏迪表示，从器件角度来看，石墨烯的超高载流子密度很重要。通过将迁移性能与硅基半导体相结合，可以生产性能优越的光电探测器件、夜视远红外探测器件、逻辑电路器件等。 （记者谢慧敏）
责任编辑：吴永灵