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僅僅靠撕膠帶也能產生諾貝爾獎？二維材料真的存在？石墨烯到底是科技還是科幻？今天我們就來聊聊石墨烯. 石墨烯是什么說到石墨烯，相信很多人都不陌生，作為材料界的當紅明星，一經推出便反響強烈。這兩年，隨著石墨烯的逐漸普及，石墨烯電池、石墨烯充電寶、石墨烯發熱沖鋒衣等一系列打著石墨烯旗號的產品更是數不勝數，在揭開這些產品神秘面紗之前，我們先來介紹一下石墨烯，他究竟為何如此吸引人。 想要了解石墨烯，我們先要講一下碳單質的結構，碳原子在不同的空間排列下會構成許多不同的物質。這就是我們初中學過的同素異形體。比如我們熟知的鉆石就是碳原子組成的四面體結構、再比如碳60，就是60個碳原子形成的類似足球結構的物質。  碳的同素異形體 石墨也是一種碳的同素異形體，我們的鉛筆筆芯就是石墨做的。它具有片層狀結構，就像這樣。它的層內非常牢固，但是層間卻很松散，所以經常用于潤滑和導電。將石墨的一層取出就是我們所說的石墨烯。所以石墨烯就是由碳原子構成的一種六邊形單層網狀結構，就像圖片中這樣。  石墨烯 石墨烯非常薄，一層石墨烯只有頭發絲的二十萬分之一，而一毫米的石墨大約包含有150萬層石墨烯，所以在應用領域10層以下的石墨才被認為是石墨烯，10層以上的都是石墨。 石墨烯的發現過去，科學家認為二維材料在現實生活中是不存在的，但2004年英國曼徹斯特大學的兩位教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶分離出石墨烯，具體方就是用膠帶粘石墨片，再用新膠帶粘殘留在膠帶上的石墨片，如此反復，大約20次后，就能分離出石墨烯。二人的發現顛覆了人們的認知。因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。  很多人戲稱他們是粘膠帶獲得的諾貝爾獎。確實，有時候想想拿諾獎其實也不難，學歷史的德布羅意在寫博士論文的時候總結了一下光的波動性和粒子性，雜糅一下提出波粒二象性假說就拿到一個諾貝爾物理學獎。也許有時候我們缺的也許不是知識和技術，而是腦洞和運氣吧。記得大學時候有一個化學教授，苦思冥想自己為何得不了諾貝爾獎，于是開始研究玄學，最后發現自己沒這個命，于是豁然開朗，開始享受生活，不僅成為玄學大師，還自學廚師證，云游四方，生活十分瀟灑。好了扯遠了，開開玩笑扯扯淡繼續我們的話題。 石墨烯的優點及應用石墨烯的發現徹底刷新了科學家們的認知，這種材料優點非常多，首先因為層內結構十分穩定，所以它的機械強度非常大，是目前已知強度最高的材料之一，甚至是鋼鐵的200倍。如果將它應用在戰斗機上可以大大減輕戰斗機的重量，提高機動性。 不僅強度大，石墨烯的韌性和拉伸性能也很好，也許超級英雄彈性大強度高的戰服就是用石墨烯制成的，未來我們如果石墨烯制做防彈衣，可能就能實現刀槍不入了。另外石墨烯也可以透光，或許皇帝的新衣就是由石墨烯打造的。  石墨烯應用 除了強度高、拉伸性能好，石墨烯的導電和導熱性能也是杠杠的，我們都知道金屬的導電性能很好，而石墨烯的導電性能是導電性最好的銀的1.6倍。導熱性是銅的13倍，是目前已知的導電和導熱性最好的材料。把這種材料運用于電子領域，代替硅，就再也不用擔心芯片發熱，散熱的問題了。 石墨烯作為二維材料，十分柔軟還可以彎曲，未來手機屏幕就可以用石墨烯制造。可以說，石墨烯就是材料中的學霸，強度、拉伸、導電、導熱樣樣頂尖是傳說中的天選之子，也難怪科學家們對它寄予厚望。甚至有些人直接將21世紀稱為“石墨烯的時代” 石墨烯制備方法腦洞開了這么多，還是要回到現實，其實我們離石墨烯的應用還有很長一段距離，要了解這個問題我們就不得不說說石墨烯的制造工藝了。 目前，制作石墨烯主要有4種方法，機械剝離法、液相剝離法、化學氣相沉積法、化學氧化法。聽起來不太懂？簡單來說機械剝離法就是用膠帶反復撕出石墨烯，當年大禹在實驗室因為撕不出來還把膠黏在基底上被老師嫌棄了好久。這樣的工作十分繁瑣復雜，品質雖高，但是產量極少，根本不可能大規模生產。液相剝離法簡單說就是把石墨粉沖到攪拌機里不斷攪拌，這種方法雖然產量大，但是質量偏低。  石墨烯粉末 以上兩種都是物理方法，還有化學方法。化學氧化法是先將石墨氧化成氧化石墨，然后倒入攪拌機攪拌，最后將其還原成石墨烯，這樣的產量雖然大，但是質量卻很低。大多數制備出的其實都是氧化石墨而非石墨烯，主要用于制備石墨烯粉末。最后化學氣相沉積法，簡稱CVD，這是目前工業制備石墨烯的主流方法，也是最有發展前景的一種方法，通過這種方式生產出來的石墨烯質量還可以，普適性較強，而且可以制備大尺寸的石墨烯薄膜，但是較難轉移，一般生產出的都是多晶。 制備方法缺點-大規模生產當然還有很多非主流方法，這里就不一一介紹了，通過這些方法我們不難發現，石墨烯面臨無法大規模生產和產品質量無法保證的問題。這是阻礙石墨烯發展的最主要問題。所以各國科學家除了研究石墨烯的具體應用之外，一直在尋找一種能夠大規模高效生產石墨烯的方法。假如有一天有人發明出了這種方法，不用我說到時候一定鑼鼓喧天鞭炮齊鳴，提前預定諾貝爾獎。但在此之前，大家還是留點心吧。 也正因為石墨烯的制備困難，石墨烯的價格一直很高，高純度石墨烯的價格甚至遠超黃金，都是論克賣的，前幾年一些高純度的石墨烯甚至可以達到5000元一克。金價只有它的十分之一。所以石墨烯也因此被稱為黑金。低純度的石墨烯只要幾十元，當前市場上很多石墨烯原材料，大多都是氧化石墨、或者干脆就是石墨。2018年，發現石墨烯的諾獎得主康斯坦丁就發文表示，目前工業生產的石墨烯樣品中，石墨烯含量大多低于10%，甚至沒有一個樣品的石墨烯含量能超過50%，自己品品吧。  石墨烯粉末實際很便宜，但是石墨烯二維材料很貴 市場上的石墨烯騙局石墨烯的價格如此高昂，你想想能廉價應用在我們身邊嗎？前段時間，中科院院士歐陽明高在電動車論壇上就公開表示：“如果有人告訴你，這車能跑1000公里，幾分鐘充滿電，還安全，成本又低。以目前的技術來講，他一定是騙子。”此話一出立馬讓剛剛宣傳完充電8分鐘，續航2000里，擁有石墨烯超級快充電池的汽車廠商坐不住了，立馬改口表示“石墨烯快充電池”和“長續航硅負極電池”是兩種電池。  歐陽明高 什么是石墨烯電池，雖然不知道具體構造，但大概率就是往鋰電池里加點石墨烯作為導電劑，看看它的電池容量、能量密度、循環壽命等性能有沒有提高。這就好比你做了一鍋菜加了把味精，再嘗嘗味道。石墨烯就是這鍋菜里的味精。事實上現在很多石墨烯的研究都是這樣，往不同的東西里加一點石墨烯，看看有什么效果。不要問我怎么知道的，我的畢業論文就是這么寫的，只不過加的不是石墨烯。 所以再看看網上那些石墨烯內褲，石墨烯面膜、石墨烯電熱毯像不像我們之前輻射那一集中講的精鐳、鐳釷水和鐳激素儀？當然這種噱頭不只有國內在用，2016年，美國新能源汽車菲斯克汽車提出石墨烯電池，結果汽車沒出來，公司先破產被收購了。無獨有偶，2018年，三星提出了搭載“石墨烯球”技術的電池，據說能將電池容量提高45%，充電速度提升5倍。之后也不了了之。  只存在于ppt中的菲斯克汽車 我國石墨烯研究現狀雖然石墨烯市場有些混亂，但是這絲毫沒有減輕人們對石墨烯的熱情，世界各國都對石墨烯給予高度重視，想要在技術上搶占先機并引領之后的科技革命。所以各國都卯足了勁地向前沖，形成了一條石墨烯產業。上游為原材料石墨；中游為石墨烯制備；下游為石墨烯的應用。很多發達國家都將目光聚焦于石墨烯應用的研發，我們剛剛講得很多就是下游石墨烯的應用，只不過他們用歪了。其實也不能怪他們，一項新材料的問世，一定會伴隨著很多失敗的嘗試，最終經得起市場考驗的，才是真正有用的。 我國目前是石墨烯研究和應用最為活躍的國家，首先我國是全球最大的石墨生產國，石墨儲量位居世界第二，另外我國也是石墨烯制造大國，石墨烯粉年產量可達5000噸；石墨烯膜年產量達650萬平方米，領跑全球。最后全球近70%的石墨烯專利都來自中國，可以說我國有一條完整的石墨烯產業鏈。  中國石墨烯產業布局 但華麗的數據下并不都是光鮮，仍然存在許多問題，首先我國石墨烯技術專利雖然很多，但專利質量總體不高，基礎核心專利量較少。其次，雖然我國石墨烯產業推進速度快，應用較多，但主要停留在中低端領域，系統性的基礎研發不足，缺乏后勁。說人話就是我國非常重視近期實用性產品的開發，比如電池中加入石墨烯作為導電劑、防腐涂料中加入石墨烯提升防腐性能。而國外則更注重真正能體現石墨烯特性的未來技術研發，比如石墨烯觸摸屏，石墨烯芯片等。雖然總體上我國處于石墨烯第一梯隊，但在未來技術研發領域還需要多下功夫。 通過以上的講解我們發現石墨烯現階段最大的問題就是無法做到規模化產業化，沒有高效低成本的方法制備出石墨烯。這也讓石墨烯比金還貴。如果有一天我們突破了石墨烯的制備技術，真正能做到大規模生產，那么我們離石墨烯的真正應用也就不遠了。到那時再談石墨烯內褲，石墨烯發熱沖鋒衣也不遲，但現在，就當它們是癡人說夢的笑話吧。廣告上石墨烯的噱頭，更多也只是為了迎合消費者的獵奇心理，順便提高產品價格的話術。  石墨烯產業規模 這也是為什么院士要怒斥石墨烯電池，別總想搞些什么大新聞，踏踏實實做事才是真。在石墨烯產業化之前，還是多聽聽科學家的意見，不要被黑心商人帶了節奏。下次再吹石墨烯之前，千萬不要忘了科學是嚴肅的，在引入營銷的活水之前，一定要講事實，擺道理。以免偷換概念。 |
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