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石墨烯简史:从人类起源到未来之钥

     石墨烯作为碳家族中的一员,可以说是含着“金钥匙”诞生的,尤其是在诺奖光环加持下,近年来全球石墨烯产业发展可谓如火如荼。而了解石墨烯的“前世今生”,有助于我们更加正确理性地看待当下的石墨烯产业。


一.人类技术史诗——碳材料发展史

     说到石墨烯就不得不先说一下他所在的碳家族。作为生命起源、自然演化必不可少的元素之一——碳,可以说是生命之源,因为地球上一切有机体生物的骨架元素,构成人体最重要的元素都是碳。从某种层面来说,人类发展的历史,其实也是一部碳家族的发展史。

  “碳”既是最硬又是最软的材料,既是绝缘体又是导电体,既是隔热材料又是导热材料,既是全吸光材料又是全透光材料。碳的起源可以追溯到宇宙大爆炸时期,在漫长的自然演化史中,主要以各种形式存在于大气、地壳和生物之中。

  而碳作为人类最早接触且最早懂得利用的元素之一,人类对碳的应用大体可分为生活用碳、传统工业用碳、新兴工业用碳和未来用碳四个阶段,可以说碳材料使人类文明的火种在地球这边广袤的土地上不断蔓延,引导着人类不断进步走向未来。

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      生活用碳:从钻木取火到利用火来烧制陶瓷、炼金青铜,标志着人类由石器时代进入青铜时代。而之后的铁器时代,人类开始锻造铁制工具,极大促进了社会生产力的发展。

  传统工业用碳:到十八世纪初,以焦炭为代表的碳材料开始在基础工业时代崭露头角。此后,碳材料主要以电极、炭黑、电刷等的形式用于用于炭砖、炼钢、炼铝等冶金、橡胶轮胎、电动机械等传统工业领域。

  新兴工业用碳:而技术的不断进步也推动着碳材料的不断发展,不同产品的碳材料不断涌现出来,在工业生产中赋予新的功能。主要以等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式用作精密加热器、高强度结构、新型电池、核反应堆等。直到今天,碳材料已经作为工业基础广泛应用于机械工业、电子工业、电器工业、航空航天、核能工业、冶金工业、化学工业等。

  未来用碳:随着碳家族成员的不断扩张,富勒烯、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等新成员必将会掀起新一轮的产业革命,在宇宙探索、生物医药、人工智能、未来通信等领域潜力无限。


二.石墨烯的发现史——从不可能到可能

     石墨“graphite”一词来源于希腊语“graphein(记述,描述)”,正如世界上第一支铅笔被用作记录文字的工具一样。而石墨烯的命名来自于石墨(graphite)+烯类的命名后缀(ene),用来表示碳的单原子层所构成的结构单元。1997年IUPAC(国际理论和应用化学联合会)采纳了此建议,从此“graphene”用来表示碳的单原子层。

  虽然科学家们对石墨烯研究了很长的时间,但很长一段时间它都被当做是不存在的“学术材料”,无法单独稳定存在。尤其是在1960年林纳斯·鲍林(诺贝尔化学奖、和平奖双料得主)曾质疑过石墨烯的导电性以及在1966年David Mermin和Herbert Wagner提出Mermin-Wagner理论,指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。

  对大多数科研人员而言,诺奖得主、学术权威都质疑的材料意味着基本再无出头之日。而有时科技的进步往往源自对权威的挑战,就像伽利略挑战亚里士多德的两个铁球下落、哥白尼挑战地心说、爱因斯坦挑战牛顿力学提出相对论、普朗克挑战经典力学提出量子的观点。正是这些少数敢于挑战权威的勇士,才使得人类科技不断迈向更高的台阶,帮助人类进一步揭开自然界的神秘面纱,从而更好的认识自然进而改变自然。

  幸运的是碳家族同样拥有这样的勇士, 2004年Andre Geim 和Konstantin Novoselov首次从石墨剥离出石墨烯,用事实证明二维材料可在常温常压下稳定存在,才将这种不可能存变为了可能。

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     新材料的研发通常都面临着长周期、高投入、高风险,需要耐得住寂寞,必须有一代人甚至几代人地坚守和积累。而从年龄上来说石墨烯还是个“孩子”,从04年发现至今也不过短短的15年, 而在这“愉快”的童年时光里,石墨烯却成长收获了很多很多:

2004,Andre Geim 和Konstantin Novoselov首次从石墨剥离出石墨烯

2007,首次实验分离出石墨烯纳米膜

2008,液相剥离石墨烯制备石墨烯浆料

2009,石墨烯用作透明电极——作为显示设备和太阳能电池的理想材料

2009,基于石墨烯的量子电阻标准

2010,大规模制备石墨烯以及石墨烯基的触摸屏

2010,Andre Geim 和Konstantin Novoselov荣获当年诺贝尔奖

2012,石墨烯用作光电探测器的论证

2012,喷墨打印法制备石墨烯电子元器件

2013,欧洲宣布开展10年10亿欧元的石墨烯旗舰计划

2014/15,石墨烯用于电池以提升性能

2015,石墨烯基磁场传感器显示出极高的灵敏性

2016,石墨烯基手机在屏幕、电池、散热系统中均应用了石墨烯

2016,轻量化但同时拥有高强度的石墨烯复合材料用于汽车及飞行器行业

2016,高灵敏的石墨烯光电传感器可用于带宽数据传输

2017,石墨烯界面工程应用于太阳能电池。

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据不完全统计,目前全球约有80多个国家和地区都在积极布局石墨烯产业,其中包括欧盟、美国、日本、韩国等发达国家和地区。而从全球范围来看,中国石墨烯产业正引领者全球石墨烯的发展。我国石墨烯的专利申请量多年稳居世界第一、石墨烯产业链初步打通、石墨烯应用领域也在不断扩展,目前石墨烯已在电子信息、大健康、化工新材料、新能源、节能环保等领域实现产业应用。据CGIA Research统计,石墨烯产业规模从2015年的6亿元增长至2017年的70亿元。但是在规模迅速扩大的同时,石墨烯产业也正在经历许多新兴领域的“通病”,如前期过度炒作、低质重复建设、低端产能出现过剩、行业标准缺失导致市场鱼龙混杂、下游应用市场仍未全面打开等。而这些都是在成长路上必须经历的磨砺,这些磨砺也将成为石墨烯产业走向成熟的垫脚石。

  未来世界充满期望与不确定,也许人们对于石墨烯、对于碳材料的认识和研究才刚刚拉开序幕。而石墨烯拥有的许多优异的特性,如果能被最大限度的采用,将在科技领域创造出无限的可能性,有望引发新一轮材料革命,将人类社会从“硅时代”引入“碳时代”。我们有理由相信,以石墨烯为代表的碳材料,会在人类文明的历史长河中写下浓重的一笔,而这一笔还等待着无数科技工作者们以及产业界人士用奋力拼搏的汗水和矢志不渝的决心去抒写。未来,一切可期!





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