石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，并證實它可以單獨存在。隨著2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學(xué)51歲的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36歲的俄裔英、俄雙重國籍的教授康斯坦丁.諾沃肖洛夫之后，“石墨烯”這一專業(yè)名詞突然進(jìn)入人們的眼簾，并廣為人知，但石墨烯是什么，它存在于何處，用什么辦法可以制得，它又有什么實用價值，知道的人可能并不多。
就在我們身邊，鉛筆痕中就有
其實，石墨烯就在我們身邊。鉛筆痕中就有，當(dāng)你用鉛筆在紙上書寫時，鉛筆痕中就很可能有數(shù)十甚至上百層的石墨烯，大家都知道鉛筆是有石墨加粘土制成的。石墨含量越多，字跡就越黑，6B鉛筆芯是由80%石墨加20%粘土制成，字跡越黑表示字跡中石墨烯的層數(shù)也就更多。早在1564年德國就已經(jīng)開始用石墨工業(yè)規(guī)模制造鉛筆，但是直到1779年人們才知道石墨是碳元素的一種物質(zhì)形式，并用希臘詞意為“寫”的“graphite”為其命名。石墨是一層層的按六角形排列的碳原子網(wǎng)面，因?qū)娱g分子間的相互作用力而平行堆疊，其中的每一張網(wǎng)平面就是石墨烯。如同一張鐵絲網(wǎng)，如圖1所示。
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| 圖1 石墨烯的結(jié)構(gòu) |
石墨烯層與相鄰層之間的距離僅為0.335納米(每一納米為1毫米的百萬分之一)。由于層間僅靠較弱的分子間相互吸引，因此只要在書寫時稍加用力，鉛筆芯內(nèi)石墨中的石墨烯就會粘附在紙上，由于許多層的強(qiáng)烈的吸光能力而呈現(xiàn)黑色，形成字跡。
為何叫“石墨烯”，其尺度有多大？
在有機(jī)化學(xué)中碳原子間有碳雙鍵的烯烴類化合物，如，乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯(benzene)，命名時均以ene結(jié)尾，石墨烯是石墨中的一個單層，該單層又全部由碳原子經(jīng)原子間的雙鍵和單鍵聯(lián)成的六角苯環(huán)狀的網(wǎng)平面構(gòu)成，因此被命名為graphene,當(dāng)然其中文譯名也就相應(yīng)地成了“石墨烯”。
石墨烯是碳原子之間，如同手拉手一樣，相互成鍵形成的一種碳分子，隨加入碳原子數(shù)量的增多，網(wǎng)平面就能不斷擴(kuò)大，其分子也就隨之變大。因此其尺度也就可大可小。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即只有0.335納米，這一厚度約為頭發(fā)的20萬分之一，這樣1毫米厚度的石墨中就將近有150萬層左右的石墨烯。其實，任何物質(zhì)都有長、寬、厚度，可以說都是三維的，但習(xí)慣上當(dāng)某一方向為納米級時，便認(rèn)為可將其忽略。那么。究竟多少層才可算做是二維石墨烯材料？由于石墨烯的電子結(jié)構(gòu)等性能隨層數(shù)增加急劇改變，因此目前較為一致的意見是單層、雙層、多層(3-10層)三種都可算是二維石墨烯材料,而超過10層的就被認(rèn)為是石墨薄膜。
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| 圖2 石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關(guān)系 |
如圖2所示，石墨烯作為基本結(jié)構(gòu)單元，不但能堆疊成立體的三維石墨，還可以單層或多層包卷起來，形成以長、寬、厚都極小的零維足球烯(碳60)為代表的各種富勒烯，也可單張卷成只有長度的一維碳納米管，由同一元素碳可形成具有不同性質(zhì)和形態(tài)的各種同素異性體。
完美原子晶體，奇特物理性能
雖然石墨烯早就為專業(yè)人士所知曉，但物理學(xué)家一直認(rèn)為隨物質(zhì)厚度的降低，它變成蒸汽的溫度也會急劇減小，當(dāng)減小到單分子層時就會變得極不穩(wěn)定，從而斷定只有單原子厚度的石墨烯不可能單獨存在。然而，2004年，海姆和諾沃洛夫第一次將目前世界上最薄的物質(zhì)石墨烯分離出來，并成功地進(jìn)行了一系列物理性質(zhì)的測定，正如諾貝爾物理獎評審委員會指出，由于對這一“完美原子晶體”的“開創(chuàng)性實驗”和“分離、認(rèn)定和分類”，僅在6年后的今天兩人便因此而獲獎。
當(dāng)然，如果石墨烯本身如果沒有特殊的性能和極為寬廣的應(yīng)用前景，也不會如此受到人們?nèi)绱说闹匾暋Ｕ绾Ｄ匪f：“它是目前已知的、世界上最薄的材料，也是有史以來所見過的、最結(jié)實的材料”。 石墨烯最大的特性是石墨烯中電子沒有質(zhì)量，電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。石墨幾乎是礦物質(zhì)中最軟的，其莫氏硬度只有1~2級，但被撕開成一個碳原子厚度的石墨烯后，性能會發(fā)生突然變化，其硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高，但卻又有很好的韌性，而且可以彎曲。如果將一張保鮮膜大小的石墨烯蓋在杯子上，要想用一支鉛筆戳穿它，就需要有像一頭大象站在鉛筆上的重量才行。石墨烯強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上１００倍。研究發(fā)現(xiàn)要使1米長的石墨烯斷裂，需施加相當(dāng)于55牛頓的壓力，也就是說，用其制成的包裝袋將可承受約兩噸的重量。石墨烯的重量又非常輕，幾克這種材料就能覆蓋整個足球場。一平方米的石墨烯重量不到1毫克，僅相當(dāng)于貓的一根胡須重，但是卻可以承受整個一只貓的重量。石墨烯中碳原子間連接非常柔韌，受力時網(wǎng)面像吊床一樣產(chǎn)生彎曲來保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其柔韌性和塑料薄膜一樣，可以隨意彎曲、折疊或者像卷軸一樣卷起來。單層的石墨烯可使許多基礎(chǔ)物理實驗成為可能，例如量子力學(xué)效應(yīng)，超導(dǎo)特性等，石墨烯只有長寬的二維形式是研究基礎(chǔ)物理的最佳維度，它使物理研究更為豐富。石墨烯在接近“量子臨界點”時其電子的行為就像一種近乎完美的液體(具有高度湍流性、極低的黏性)。石墨烯的這種不同尋常的低黏度及強(qiáng)烈的電子相互作用，為一些有趣的納米電子應(yīng)用提供了可能。通常情況下，材料的電阻不會隨電壓的改變而改變，但在石墨烯中卻有這種可能。更為突出的是，石墨烯的傳熱速度比銀和銅的高十多倍。單層石墨烯幾乎完全透明，吸光率僅2.3%，但它卻又十分致密，即使最小的氣體原子氮也無法透過。
不同途徑得到，方法多種多樣
鑒于石墨烯極其廣闊的應(yīng)用前景，人們正力圖尋找各種各樣的方法來得到它，當(dāng)然首先想到的是如何將石墨一層一層的分離。海姆等首先用所謂“機(jī)械剝離法”，其實就是用膠帶紙將排列得特別整齊的高取向石墨反復(fù)粘貼撕開，最后將粘在帶上的石墨烯轉(zhuǎn)貼到硅片上，然后用溶劑將膠帶溶去，在硅片上就可以得到單層或少數(shù)層的石墨烯。這一方法比較簡單，所得石墨烯也比較完整，可供進(jìn)一步的性能研究，但是其產(chǎn)量低，很難制造大面積的材料。
化學(xué)工作者想到用“化學(xué)剝離法”，通過化學(xué)反應(yīng)將非碳原子插入到層間，使石墨層撐開，降低層間的引力，然后在水或溶劑中用高頻超聲波振動將氧化后的片層分開，分開的片層再通過化學(xué)方法或高溫使之脫氧還原成石墨烯。這一方法易于規(guī)模化制備，但是氧化等化學(xué)反應(yīng)及超聲處理和還原反應(yīng)往往會造成石墨烯中碳原子的缺損，得到的石墨烯質(zhì)量不高，性能較差。然而，最近“科學(xué)”雜志報道，單純通過納米加熱也可將絕緣的氧化石墨烯轉(zhuǎn)化為功能性導(dǎo)電納米線，整個過程只需一步完成。
化學(xué)剝離法
化學(xué)氣相沉積法是用含碳原子的氣態(tài)有機(jī)物如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)等在鎳或銅等金屬基體上高溫分解，脫除氫原子的碳原子會沉積吸附在金屬表面連續(xù)生長成石墨烯。這一方法簡單易行，可大面積成長，且所得石墨烯較完整，質(zhì)量更好，轉(zhuǎn)移到其它基體上使用也不困難，目前已成為主要方法之一。
還有在一種晶體上生長出了另一種晶體層的外延生長法，例如在高溫和超高真空使單晶碳化硅“(SiC)中的硅原子蒸發(fā)，剩下的碳原子經(jīng)結(jié)構(gòu)重排形成石墨烯單層或多層，這一方法也可得到大面積的單層石墨烯，且質(zhì)量較高。但單晶SiC的價格昂貴，生長條件也苛刻，生長出的石墨烯不易轉(zhuǎn)移到別的基體上使用，主要用于以SiC為襯底的石墨烯器件。
除此之外，還有溶劑加熱法、靜電沉積法、微波輻射法、有機(jī)合成法等等。總之，石墨烯的研究熱也促使人們正極盡全力通過不同途徑以求經(jīng)濟(jì)、簡便、快速地制得大面積高度完整的石墨烯。
應(yīng)用前景無限，有望改變生活
實際應(yīng)用時，石墨烯的用途或許不可限量，海姆表示：“我希望石墨烯能像塑料一樣改變我們的日常生活。”作為一種新“超級材料”，石墨烯可用于制造衛(wèi)星、飛機(jī)、汽車，并應(yīng)用于超級計算機(jī)的研發(fā)。石墨烯有望給微電子世界帶來革命性變化。石墨烯將代替現(xiàn)有晶體管的材料硅，使電腦運(yùn)行速度更快。石墨烯的應(yīng)用將主要集中在場效應(yīng)管、觸摸屏、太陽能電池、復(fù)合材料等領(lǐng)域。石墨烯的電荷載體有高遷移率，使之可制成室溫下的彈道晶體管，其開關(guān)時間有可能縮減到10-13秒以下，并且能在太赫芝的超高頻率下運(yùn)行。超導(dǎo)電子器件耗能少且開關(guān)時間更短，石墨烯的另一潛在應(yīng)用是制作超導(dǎo)晶體管。目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當(dāng)硅材料的尺寸小于10納米時，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。因此，普遍認(rèn)為石墨烯將會最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命。
通過調(diào)整雙分子層石墨烯的能帶隙可以把它從金屬轉(zhuǎn)變到半導(dǎo)體，因此可在雙層石墨烯的1平方毫米的片上裝有數(shù)以百萬計的不同的電子設(shè)備，并且這些裝置可隨意改裝。而石墨烯發(fā)光二極管將能發(fā)出任何遠(yuǎn)至中紅外范圍的頻率，它甚至可以用于激光材料，產(chǎn)生從太赫茲到紅外的寬頻率。
石墨烯擁有超凡的堅硬度、柔韌度、透明度和導(dǎo)電性，可以廣泛應(yīng)用于觸摸屏和太陽能電池的制造中。韓國三星公司已在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，制造出一塊電視機(jī)大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造出一塊柔性觸摸屏。這是制造更加堅硬、廉價以及更加柔韌的透明電子器件的第一步。從理論上來講，今后人們有可能將iPhone手機(jī)卷起，然后像鉛筆一樣將其別在耳后。
石墨烯和單個心肌細(xì)胞之間能形成穩(wěn)定接觸，從而可實現(xiàn)對細(xì)胞中電生理信號的高靈敏度、非侵入式檢測，將進(jìn)一步發(fā)展為高集成納米生物傳感陣列。
超級電容也稱雙電層電容器，是一種新型儲能裝置，能在幾秒鐘內(nèi)完成充電，同時它還具有容量大、功率高、使用壽命長、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點，在數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦、新能源汽車等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價值。由石墨烯制得的新電容器效率更高，能在更短的時間內(nèi)完成充電。
氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2小時后，對其抑制率可超過90%，氧化石墨烯的抗菌性源于其對大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料，而且對哺乳動物細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小，有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
在檢測氣體時石墨烯具有很低的噪聲信號，可精確探測單個氣體分子，使之在化學(xué)傳感器和分子探針方向有潛在應(yīng)用前景。已證實石墨烯可以吸收大量氫氣，因而可望用于儲氫器材中。和其它結(jié)構(gòu)相比，石墨烯具有極高的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、及出色的機(jī)械強(qiáng)度；并且是單原子平面的二維晶體，將在高靈敏度檢測領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。
低成本的石墨烯使之作為增強(qiáng)填料在復(fù)合材料方面具有吸引力。石墨烯的大表面和體積之比以及高的導(dǎo)電率，可提高電池效率有可能取代炭纖維，炭粉等傳統(tǒng)材料，并將能降低超堅固炭/炭復(fù)合材料的成本，炭/炭復(fù)合材料在航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。將石墨烯與塑料復(fù)合，也可以憑借其韌性，創(chuàng)制出兼具超薄、超柔和超輕特性的“新型超強(qiáng)材料”。石墨烯不僅可制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的“太空電梯成為現(xiàn)實。由太空電梯進(jìn)入太空的成本將比通過火箭便宜很多，但其最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長達(dá)3.7萬公里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，科學(xué)家證實石墨烯完全適合用來制造這一纜線。
研發(fā)成為熱點，仍需不斷努力
石墨烯是一種有可能顛覆人類生活的產(chǎn)品，幾乎可用在各種不同領(lǐng)域。盡管自2004年以來，已有大量石墨烯專利申請，石墨烯的產(chǎn)量也不斷增加。但是，目前全世界還無法實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)，石墨烯生產(chǎn)方面仍然處于探索階段，一克石墨烯甚至可賣到5000元，幾乎超過黃金價格的15倍。除了還不能找到合適方法擴(kuò)大生產(chǎn)外，要真正大規(guī)模應(yīng)用，也還有很多的困難，研發(fā)之路仍相當(dāng)長。目前石墨烯的面積還不能做得比較大，一旦做大，表面就很容易變得坑坑洼洼，很難成為嚴(yán)格的二維平面。另外，各種制備方法都可能使原本應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)六邊形的石墨烯丟失其中的某些碳原子，形成有缺陷的石墨烯。因此，要能大規(guī)模地應(yīng)用石墨烯，首先就要先解決能大規(guī)模地制作沒有雜質(zhì)、形狀完整、面積較大的石墨烯。
當(dāng)前，國內(nèi)外眾多物理、化學(xué)和材料方面的研究團(tuán)隊正在全力攻堅，與石墨烯相關(guān)的新成果不斷涌現(xiàn)、日新月異，可以期待在不久的將來，石墨烯將成為一種普通的材料，其應(yīng)用也將深入到我們生活的每一個角落。
