導(dǎo)讀：手機(jī)充電僅需幾秒鐘？手機(jī)屏幕能折疊彎曲？電動(dòng)車電池續(xù)航800公里，充電幾分鐘即可完成。由這種物質(zhì)構(gòu)成的聚合物電池可為無(wú)人機(jī)和心臟起搏器提供能量……這些設(shè)想或許都將因?yàn)橛小?1世紀(jì)神奇材料”之稱的石墨烯的面世而成為可能。

2004年，曼徹斯特大學(xué)2位研究員Andre Geim和Kostya Novoselov成功地從石墨中分離出了石墨烯，這項(xiàng)成果使得他們兩位在2010年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Andre Geim曾經(jīng)對(duì)石墨烯做過(guò)這樣形容：“石墨烯對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇?！?/span>

不知道大家還記不記得前一陣習(xí)大大訪問(wèn)英國(guó)之旅，其中有個(gè)細(xì)節(jié)就是習(xí)大大專門去英國(guó)曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究所參觀了一下。2015年10月23日，習(xí)大大參觀的曼徹斯特大學(xué)的國(guó)家石墨烯研究所（National Graphene Institute）以?shī)Z目之勢(shì)走進(jìn)了石墨烯粉們的眼球。

2015年10月23日，習(xí)大大訪問(wèn)的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究

一、石墨烯到底何方神圣？

石墨烯是一種研究性極強(qiáng)的多用途物質(zhì)，是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，只有一個(gè)碳原子的厚度。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無(wú)數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

石墨烯的結(jié)構(gòu)：碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的二維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)， 是目前最理想的二維納米材料。

石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關(guān)系

石墨烯是迄今為止自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，具有透明、導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好等特征，可以被無(wú)線拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，還可以抵抗很高的壓力，它可以像鉆戒一樣堅(jiān)韌，比鋼鐵強(qiáng)200倍，又像橡膠一樣堅(jiān)韌。

石墨烯是一種“超級(jí)材料”

石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家Andre Geim和Kostya Novoselov發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

可提取石墨烯的石墨粉

石墨烯有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。自從2004年第一次被成功制造出來(lái)之后，就被科技界看好，認(rèn)為它是一種顛覆性的全新材料，因其優(yōu)異的特性，許多人認(rèn)為21世紀(jì)將成為“石墨烯時(shí)代”。

石墨烯具有的特性

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究院成會(huì)明認(rèn)為，石墨烯的導(dǎo)電率很高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種用于移動(dòng)電池、電源很理想的電極材料。可以和電子元件、電子設(shè)備進(jìn)一步結(jié)合，以增強(qiáng)其它儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電率。

石墨烯由單層碳原子組成的二維晶體

石墨烯的另一個(gè)神奇之處在于“零滲透”——所有氣體、液體都無(wú)法滲透，有著“針插不進(jìn)，水潑不進(jìn)”的本事。比如，給船體涂上石墨烯涂層，海水中重金屬離子等就無(wú)法穿透這層薄膜去腐蝕船體。

讓人感到驚奇的遠(yuǎn)不止這些。石墨烯具有很強(qiáng)的吸附性，科學(xué)家正在研究用它做過(guò)濾裝置，用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域。它幾乎又是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產(chǎn)品原料。

二、當(dāng)石墨烯遇到3D打印

盡管目前大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)都僅限于塑料線材，但許多制造專家都認(rèn)為，3D打印技術(shù)更多的創(chuàng)造潛力蘊(yùn)藏在范圍更廣的其他材料和應(yīng)用特征上，比如我們現(xiàn)在討論的石墨烯材料。

 2016年2月9日，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和加州大學(xué)Santa Cruz分校的科學(xué)家們宣布，他們首次使用超輕的石墨烯凝膠3D打印出超級(jí)電容，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師更加自由、不受設(shè)計(jì)限制地將高效能源存儲(chǔ)系統(tǒng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、電動(dòng)汽車和無(wú)線傳感器打開了大門。

據(jù)了解，LLNL的研究團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為直接油墨書寫（direct-ink writing）的3D打印工藝和該實(shí)驗(yàn)室自己設(shè)計(jì)的氧化石墨烯復(fù)合油墨來(lái)打印微結(jié)構(gòu)，制造出可以保留能量的超級(jí)電容，比當(dāng)前使用電極制造的同類電容薄10到100倍。

這種3D結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器充電速度非?？?/span>

 這種石墨烯“線材”能夠通過(guò)擠出頭3D打印微結(jié)構(gòu)，一旦3D打印成指定的結(jié)構(gòu)之后，這個(gè)石墨烯對(duì)象還需要進(jìn)行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性，在此之后，這些3D打印的對(duì)象就可以用于各種處理，并仍會(huì)保持其石墨烯的性質(zhì)。

2016年1月28日，該成果發(fā)表在《Nano Letters》雜志上，這項(xiàng)技術(shù)突破了2D制造的限制，用它可制造出各種各樣復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)可使我們?cè)谥悄苁謾C(jī)里為能量存儲(chǔ)系統(tǒng)留下一個(gè)很小的空間即可。這種超級(jí)電容器的充電速度非?？?，理論上只需要幾分鐘或者幾秒鐘即可完成充滿電量。

關(guān)于3D打印技術(shù)與石墨烯的結(jié)合，另一個(gè)值得關(guān)注的事件就是：2015年11月23日，知名3D打印材料公司Graphene 3D Lab通過(guò)其電子商務(wù)網(wǎng)站向外界宣布推出新型3D打印材料Graphene Flex Foam（石墨烯柔性泡沫）。

該材料具備重量輕、可重構(gòu)，具有多孔結(jié)構(gòu)，而且易于使用和處理等特點(diǎn)

Graphene Flex Foam是一種多層獨(dú)立式柔性石墨烯泡沫，它將導(dǎo)電性彈性復(fù)合材料與超輕的石墨烯泡沫結(jié)合在了一起。這種泡沫，實(shí)際上是具有高導(dǎo)電性的三維化學(xué)氣相沉積（CVD），與復(fù)合材料結(jié)合，從而具備了石墨烯的多個(gè)優(yōu)良屬性。作為一種柔軟的泡沫，該材料具備重量輕、可重構(gòu)，具有多孔結(jié)構(gòu)，而且易于使用和處理等特點(diǎn)。

 Graphene Flex Foam是在離子電池的電極制造中優(yōu)質(zhì)的基本材料，非常適合用于穿戴電子產(chǎn)品，這是因?yàn)殡娮悠骷?、傳感器和?dǎo)線等都非常需要通過(guò)這種柔性的可穿戴材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、前景美好，“烯”望無(wú)線

作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在觸控屏、半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、光器件、航空、軍工、LED、激光等領(lǐng)域或?qū)?lái)一次革命。不過(guò)，由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其產(chǎn)值至少在萬(wàn)億以上。如果研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行得順利的話，也許我們的生活很快就會(huì)時(shí)時(shí)刻刻都需要使用這種材料了。

目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)被納入國(guó)家戰(zhàn)略布局。《中國(guó)制造2025》選擇10大優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破，在首個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領(lǐng)域之一。此外，“十三五”新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)，也將石墨烯等新材料列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

石墨烯薄膜

業(yè)界認(rèn)為，有了石墨烯，人類就可以開發(fā)出下一代能源解決方案，如太陽(yáng)能電池或者幾分鐘即可充滿電的手機(jī)電池。一些人甚至大膽猜測(cè)，將來(lái)全新設(shè)計(jì)的3D打印超級(jí)電容可以用來(lái)創(chuàng)建當(dāng)前很難制造、甚至用其他方法不可能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特電子產(chǎn)品，比如完全定制的智能手機(jī)或者折疊裝置等，其性能也會(huì)達(dá)到前所未有的水平。

全球首批石墨烯手機(jī)已于2015年年初上市

不僅在能源儲(chǔ)存系統(tǒng)，石墨烯在檢測(cè)食品毒素、環(huán)境污染、特定病毒和細(xì)菌等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如，將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上可產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)信號(hào)，以便高敏感傳感器檢測(cè)到毒素，其檢測(cè)能力相當(dāng)于普通傳感器的10倍。此外，石墨烯還能用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，如藥物傳送、癌癥治療和生物傳感等，石墨烯擁有許多獨(dú)特的屬性，如更大的表面積、生物適應(yīng)性和化學(xué)穩(wěn)定性，這使得石墨烯具有很大的研究潛力，并被寄予厚望。

石墨烯新材料應(yīng)用十分廣泛，尤其是石墨烯增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料在下一代飛機(jī)研制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件制造、未來(lái)高速飛行器研制等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。目前，C919、B777飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)大量選用了含有石墨烯材料的鋁合金，有助于進(jìn)一步降低機(jī)身結(jié)構(gòu)的重量、提高使用壽命，大幅降低制造成本。

有消息稱，西班牙Graphenano與其中國(guó)合作伙伴正泰公司最近也推出石墨烯材料的聚合物電池，據(jù)說(shuō)，這種電池允許電動(dòng)車連續(xù)行駛800公里，可在幾分鐘內(nèi)充電，電池也可以用作家庭使用，汽車行業(yè)，甚至包括自行車、無(wú)人駕駛飛機(jī)、心臟起搏器等。公司希望這種電池可在2016年年中實(shí)現(xiàn)原型，年底實(shí)現(xiàn)商用蓄電池組運(yùn)行。

石墨烯材料的聚合物電池以更小的體積提供更強(qiáng)的性能

除了以上這些，媒體鋪天蓋地的報(bào)道給我們的印象是，石墨烯改變的還有我們生活的方方面面：如用來(lái)生產(chǎn)防水膜億解決全球水資源短缺問(wèn)題；取代當(dāng)前電子產(chǎn)品中的硅，以更小的體積提供更強(qiáng)的性能。