未来的材料：石墨烯

译者 upu

世界上有这么种物质，它透明，有韧性，它极其坚硬，防水，它存量丰富，经济实惠并且它的电阻率是世界上已知物质中最小的。它就是石墨烯，一种拥有完美性能的材料，科学家和企业家都为之着迷。

它早在2004年就被第一次合成出来，但它一直等到2010年才声名鹊起，原因是它的两位发现者俄罗斯籍学者安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。 安德烈·海姆在获奖感言中说，石墨烯的应用前景是不可估量的。

由 石墨烯 做为 两极 制成 的 电池 样品 续航 能力 是 普通 电池 的10 倍， 所需 的 充电 时间 也 更少。

这种材料用途极广，可以用来制造拥有透明弹性屏幕和超高速太阳能充电电池的电子设备。它在航空，医药和其他领域的应用目前正在研究开发中。除此之外，它拥有极佳的结构可以更具具体的需求被改造成新的所需材料。也就是说，它就像万能材料。

对石墨烯性能的研究已经成为了世界许多科学家的课题。其中西班牙的理论物理学家做出了突出的贡献。

开发阶段

所有人都在谈论这种材料，然而只有没几个人见过其真身。这是因为尽管石墨烯的应用前景无量，但它现在仍然处于开发阶段。石墨烯是一种极薄的碳复合薄膜（仅有一个原子的厚度）。由石墨中分离而出，石墨通常被用来制作铅笔，刹车片或者生产钢。作为原材料石墨在在自然界中蕴藏丰富。获得石墨可以通过开采天然石墨矿（西班牙这种矿的矿藏很丰富）或者人工合成石墨。

然而，目前主要的障碍是没法大规模的生产石墨烯。热苏斯.德拉.福恩特（Jesús de la Fuente）向记者解释说。他是西班牙格拉费纳纳米材料公司（Graphenea Nanomaterials）的总裁。而该公司是目前仅有的几家生产这个材料的公司之一。西班牙以石墨烯作为生意的公司还有 Avanzare 公司和GranphNanotech 公司。

生产石墨烯的方法有好几个。撕胶带法（机械剥离）就是海姆把石墨烯分离出来的方法，这个方法可以用在一些实验中，但在工业生产中不是一个有效的方法。它的商业化最起码需要2个形态：薄膜状和粉尘状。

薄膜状石墨烯

总部位于西班牙圣塞巴斯蒂安（San Sebastián）的格拉费纳公司（Graphenea）是生产薄膜状石墨烯的三大国际公司之一（另外两家是美国公司）。德拉.福恩特在电话采访中说：“我们生产的是高纯度石墨烯，拥有最佳性能。通常用来生产电池电极，触摸屏，太阳能电池板，电子数码产品和用于航空行业的高速模拟计算机或高级合成材料。”

该公司生产石墨烯使用的不是石墨，而是沼气。使用一项名为化学气相沉积的技术（Chemical Vapor Deposition, CVD，是一种用来产生纯度高、性能好的固态材料的化学技术）。福恩特说：“这项技术让我们拥有了很大的优势，我们不再依赖任何的矿产品了。”

镀石墨烯硅片样品|摄于格拉费纳公司

福恩特解释了石墨烯片制作的过程：“在化学气相沉积反应器中输入含碳的气体，然后通过化学反应，分离气体中的碳原子，使其附着在一块金属薄片上。接下来的一步是把石墨烯薄膜转移到另一块最终薄片上，薄片可以是聚合物片，玻璃片，硅片或者其他材质的薄片，这取决于它的用途。”

价格根据它的尺寸大小和性能会有所不同。最近几年已经下降了一半。现在一块石墨烯片市值是300到1000欧元。这价格对于从事研究的消费者是可以触及的，但对其他用户来说太昂贵了。德拉.福恩特说他们在等待石墨烯价格

的逐步降低，“5年后，它的价格就会比硅还便宜，目前一块硅片价值50欧元。”“随着市场的升级，价格会降低。实际上生产1个薄片的价格和生产10万个是一样的。”他说。

这家公司从2011年夏天开始向他的客户（研究机构和大公司）供应这种材料。“ 尽管西班牙有大量的石墨烯研究项目，但我们99%的产品是卖给国外客户的。那些新兴企业正在研发创新产品，而与此同时那些大公司则在等待时机。”他说。

超长电池续航

“我们所出售的石墨烯，尤其是用来测试的石墨烯。大多数都用来做能源储存。应用在超级电容器（用于汽车，电车和配电器的线路效率优化）和电池中。有实验已经证明使用石墨烯电极的电池拥有普通电池10倍的续航能力”。

事实上，这种材料可以解决智能手机的主要缺点之一，续航能力几乎不超过一天。使用石墨烯电极制造的样品电池，其续航能力是市场中出售的普通电池的10倍，它的充电时间也很短（只需半小时）。

然而，我们还要再等几年之后才能使用这种电池。德拉.福恩特说，诺基亚公司（他的主要客户）五年内不会把含有石墨烯的产品市场化。

石墨烯还会应用在OLED（有机发光二极管）电视机中，之后生产这些电视机就会用有机材料和可持续环保材料：“现在生产用的是稀土，对环境会有很大的影响。此外，稀土的价格翻了十倍。”行业正在寻找一种更经济更可持续的替代物，因此石墨烯就成为了替代品之一。

而关于太阳能板，德拉.福恩特说，他们的目标运用石墨烯使太阳能板的效率达到42%（也就是说，吸收到的太阳能有42%转化为电能。目前市场上的太阳能板能量转化率大约是16%）。

粉尘状石墨烯

粉尘状石墨烯被应用在需要更廉价材料的用途中，比如混合建筑材料（通常和其他材料混合）。“粉状石墨烯的生产是用石墨作为原材料，然后通过剧烈氧化和超声波降解法来分解石墨中的石墨烯小薄片，”热苏斯.德拉.福恩特解释说。

它的性能没有薄膜状石墨烯的性能那样好，导电能力也更差些。这种产品的需求量一直都很小。它的价格取决于它的纯度。质量低的每克10欧元，质量高的价格达到每克100欧元。

石墨烯氧化物和石墨烯粉末|摄于格拉费纳公司

“我们也为帆船比赛团队工作，他们需要碳纤维的填充物（石墨烯能强化碳纤维）。”为了把石墨烯运用在建造材料中他们也做了很多实验，但德拉.福恩特认为石墨烯在这个行业中的应用很困难，因为“这需要非常大的量和便宜的价格”。

科学家也正在研究它应用于医药业的可能性。比如，用于生产生物传感器和检测DNA。“它同样有可能被利用来进行神经元植入和神经受损组织再生，”德拉.福恩特同时还表示，就算这些高科技医学能被证实是可行的，等到投入使用还得再等上几年。

与此同时，西班牙国家科学研究院（CSIC）的马德里材料科学研究所的研究员艾尔莎.普拉达（Elsa Prada）指出，石墨烯材料同样可能运用在生物装置，医药和食品杀菌包装和轻便坚硬的复合材料（用于飞机，汽车等）上。

人造石墨烯

尽管具有非凡的特性，但石墨烯并不是完美的。然而，它是一个非常好的样品，可以基于它改造出具有新特性的完美材料。也可以说是，石墨烯究极版材料。根据这个原理最新发明了被称为“人造石墨烯”的材料。这项研究发表在了最近的《自然》杂志上，发表者是西班牙人巴克.基纳（ Paco Guinea），他是世界上研究石墨烯的著名专家之一。

这位马德里材料科学研究所的研究员与美国斯坦福大学的同事们一起发明了这种人造材料，他向本报记者透露，“它可以让我们更精确的应用其更为奇妙的特性。”这种被命名为人造石墨烯的材料具有和石墨烯类似的特性，它的出现开启了该种材料大规模生产之路。“由于现有的石墨烯没有达到必要的纯度，所以人造石墨烯能够被用来研究现有石墨烯身上观察不到的特性。”他在致本报的一封邮件中如是说。

格拉费纳 公司 生产 石墨烯 的 过程 之一， 于 圣 塞巴斯蒂安（ 西班牙 一个 城市 ） 。

这种新材料通过一氧化碳分子依附在铜表面上而制得，基纳说:“同样可以使用别的金属。”然而目前，“人工石墨烯的造价要比其他石墨烯高得多。”

基纳相信，“大幅降低成本”是石墨烯产品商业化的必要条件。该名研究员也期待“人造石墨烯的出现能帮助其他研究团队优化生产技术”。

其他材料的启蒙者

在所有石墨烯的衍生二维材料中（译者：石墨烯为二维材料），艾尔莎.普拉达（Elsa Prada）突出介绍了其中几种材料：氟代石墨烯（性能非常类似聚四氟乙烯，Teflon，拥有良好的润滑性并且完全不导电），六方氮化硼（绝缘晶体并透明，高硬度，与石墨烯的结合优化了其导电性能），二硫化钼（一种二维晶体，在应用与制作新型晶体管方面，前途无量）和硅化石墨烯（一种用硅做的石墨烯版本。它拥有石墨烯普遍的性能，它的优势是它能更容易的与目前常用的含硅的电子原件通用）。

普拉达曾与石墨烯的发明者之一 康斯坦丁·诺沃肖洛夫 （Konstantin Novoselov）公事过。她说西班牙在这种材料的研究领域处于世界前列：“欧盟石墨烯旗舰研究项目（ proyecto Flagship）中的西班牙方面的研究是最为活跃的研究活动之一，它推动了石墨烯的基础研究，同时也推动了这些研究陈果的工业化进程”，如果研究获得了巨大成功，“那就可以想象在西班牙将会用大量资金投入研究和石墨烯的技术开发之中”，普拉达说。

“在目前金融危机的形势下，我们国家（译者：西班牙）应该转变成解决方案和高潜力高需求产品的生产者（不能仅仅是消费者）。尤其是，石墨烯能使我们成为世界的领头人，我们能将这项未来技术出口给全世界。”她总结说。