石墨烯灯泡，更亮更便宜！

石墨烯，几乎完全透明，只吸收2.3%的光。目前是世上最薄、最坚硬、电阻率最小、导电导热性能最强的纳米材料，被称为“神奇材料”。

英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所2015年就已研制出全新的石墨烯灯泡，拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格。

在不少国家，由于LED灯泡的环保节能及使用寿命长的特性，已经有法律规定来确保LED灯泡迅速取代传统白炽灯泡。而就在白炽灯被LED灯泡逐步取代的时候，这种新型石墨烯灯泡即将为照明技术带来又一次革新。这种新型石墨烯灯泡仍基于LED技术研发，通过神奇的石墨烯分子大大增强其性能和使用寿命，而且在价格上有希望比传统LED灯泡更便宜。这种创新技术的石墨烯灯泡为可调光灯泡，灯泡内有灯丝形状的LED灯，且LED灯外层会涂上石墨烯，石墨烯的导电能力强，可因此让灯泡使用时间拉长，并减少10%的能源消耗。同时，石墨烯在高温下具有最高的机械刚度和高稳定性，石墨烯的光发射非常强劲。

英国石墨烯照明公司是石墨烯材料的发现者安德烈·盖姆教授在LED领域唯一一家以知识产权和自己投资、并参与研发经营的公司，该公司主要从事石墨烯应用研究，在LED领域拥有12项全球顶尖的石墨烯相关专利。

安德烈·盖姆教授表示：“我们结合照明灯的使用计算了一下，加入石墨烯之后可以节约5%到7%的成本，也就相当于50到100元人民币，而一盏石墨烯灯的寿命又相当于3到4盏普通LED灯的寿命，这样算也非常之环保。” 而英国曼彻斯特大学的国际级石墨烯研究所在去年四月就研制出了全新的石墨烯灯泡，这种石墨烯灯泡仍基于LED技术研发，灯泡内有灯丝形状的LED灯，外层涂上石墨烯，因石墨烯的导电能力强，可让灯泡使用时间拉长，并减少10%的能源消耗。

在发光领域，2015年7月，清华大学微纳电子系教授任天令利用两种形式的石墨烯中制作出了一款新型发光材料，第一次在基于石墨烯材料的发光体系中证明，仅用一个LED就可调整出不同颜色的光，几乎覆盖整个可见光光谱的所有颜色。

在照明散热领域，LED照明中通过半导体芯片实现光电转化，为最大限度的实现电能转化成光能而不是热能，提高LED照明的发光效率，必须对半导体芯片的散热问题予以解决，而石墨烯的散热能力非常出色，单层石墨烯薄膜的导热能力达到5.3kW/（m·K），远高于传统的技术材料，是LED照明散热问题解决的有效手段。

除了做灯泡，石墨烯还能干啥？

与此同时，研究人员表示灯泡只是石墨烯的一种应用。目前，石墨烯已在超级电池，柔性显示，海水淡化，航空航天，传感检测，海水淡化有着显著成果，而且石墨烯在生物领域也有着巨大潜力。

来源：AlexanderAlUS / Wikipedia / CC BY-SA 3.0

研究人员发现，石墨烯可将光转化为电能，利用这个特性，集中不同的光源和石墨烯组合之后，可以达到刺激活的人体细胞功效。这项发现有许多潜在的应用，从加强干细胞治疗、到定制仅针对引起疼痛的神经的止疼药，从而减轻药物被滥用的可能。而少层石墨烯分散物对人体原代单核细胞具有特异性的高毒性，可以诱导单核肿瘤细胞坏死，因此，结合现有治疗，可能导致肿瘤缩小，防止癌症扩散及其复发。研究团队曾制备氧化石墨烯配方并用于测试不同的癌症类型 – 如乳腺癌，胰腺癌，肺癌，脑癌，卵巢癌和前列腺癌等。结果显示氧化石墨烯可以在手术过程中作为灌洗剂用于清除癌症干细胞或作为靶向药物。

除了做灯泡，目前石墨烯有有十一种可能的应用，分别是：

应用一：石墨烯触摸屏。智能手机最关键的一部分就是有一块既能导电又非常透明的触摸屏。恰好，这正是石墨烯的特性！而且石墨烯的强度和柔韧性，都比目前的透明电极材料氧化铟锡（ITO）要更好。

早在2010年，韩国成均馆大学和三星公司的研究人员，就制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。当时，论文通讯作者、成均馆大学教授洪秉就提出，他们的方法可用于制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器和平板显示器。但他当时也承认，大规模制造和商业化还为时尚早。

应用二：石墨烯墨水打印射频天线。英国曼彻斯特大学研究人员与石墨烯生产商BGT材料有限公司合作，用压缩石墨烯墨水打印出射频天线。——科学家将石墨烯材料的应用又向前推进了一大步。这种天线灵活、环保，可廉价大批量生产，能够应用在无线射频识别（RFID）标签和无线传感器上。目前，大多数商用RFID标签由金属铝和铜组成，材料昂贵、制作过程复杂，而基于石墨烯的RFID标签能够大幅度降低材料成本。该研究团队已经开始计划开发石墨烯RFID标签，以及传感器和可穿戴电子产品了。

应用三：储氢材料&药物载体。石墨烯独特的二维层状结构和良好的生物相容性，使其能很好地作为药物载体。科学家将石墨烯与抗肿瘤药物反应制得复合物，可在人体内缓慢释放药物，而且药物的负载量远远高于传统的药物载体。

应用四：更强夜视能力的视觉传感器。研究人员将基于石墨烯的光热电探测器(photothermoelectricdetector)整合在微机械氮化硅薄膜(micrmachinedsiliconnitridemembrane)上，可以大幅减小当前红外夜视系统的体积。7~9V/W的响应在10.6微米(micron)波长以及23ms时间常数下达成；氮化硅薄膜带来的温度隔离以及宽带红外线吸收，能实现300~500K的黑体目标(blackbodytarget)探测与成像。

应用五：芯片上光通讯。纽约哥伦比亚大学工程学院教授JamesHone利用石墨烯开发出世界上最薄的灯泡，这种新型的“宽带”光发射器可以整合到芯片上，可为实现薄如原子、可挠曲及透明的显示器铺路，还能做到基于石墨烯的芯片上(On-chip)光通讯。

应用六：侦测气体、检测DNA与蛋白质。由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)与西班牙光子科学院共同组成的一支研究团队，最近利用石墨烯改善了分子检测的红外线吸收光谱。石墨烯拥有较大的比表面积，使其具备了制作高灵敏度传感器的条件，一旦气体被吸附于石墨烯表面，其表面电阻就会出现变化，然后结合电传感检测器，就可以让石墨烯成为一种优异的气体传感器。

应用七：3D成像更精确。劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的研究人员使用单层石墨烯作为一个清晰类透镜盖(Lens-likeCap)—称为石墨烯电池液(GLC)—为单个胶状纳米粒子的原子创造新的成像系统。

应用八：超导体。加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)的研究人员，透过掺杂锂后再使其冷却至5.9度绝对温度(Kelvin)。

应用九：即热功能。“用很小电流、很低功率就可以热起来，只有石墨烯和碳纳米管可以做到，这样用一块手机电池就可以驱动。”军用、救生用加热衣服是正在开发的一种产品。其他产品还包括利用石墨烯复合材料的防弹材料和涂料，利用石墨烯薄膜的便携式水处理设备，以及储能电池的改性。

应用十：太阳能电池。在麻省理工学院的一份学术报告中指出，石墨烯已经被视为用于打造第三代太阳能电池的最佳备选材料之一。苹果公司2013年提交了一份专利申请，申请内容正是关于在一些设备中搭载太阳能电池的解决方案。石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%，是现有多晶硅太阳能技术的2倍。当前市面上的太阳能电池板基本为多晶硅，其光电转换率为30%左右。

应用十一：观察大脑活动。由DARPA的RE-NET计划所资助开发的新的石墨烯传感器技术是可以导电的，且只有4个原子厚，比目前的触点薄数百倍。这种极薄的厚度使几乎所有的光可以穿越很宽范围的波长。放置在一块与组织形状相符的柔性塑料里衬上之传感器是概念验证工具的一部分，它展示出了更小、更具透光性的触点，且可同时使用电气和光学方法来对神经组织进行测量与刺激。

石墨烯材料的整体技术现状和应用现状

石墨烯产业链包括上游、中游和下游，上游为生产石墨烯所用的各种原材料，如石墨、烃类等物质的开采，中游为各类石墨烯材料的研究，包括石墨烯薄膜、石墨烯粉体等，下游为石墨烯终端产品的开发。

从各国的研究发展情况看，美国已经涵盖了从上游石墨烯原材料的开采到下游具体产业应用的全链条，欧洲基础研究成果丰富，但是产业应用环节较为薄弱，日本和韩国集中在下游产业应用上，尤其在电子器件领域中的应用成果丰富。我国拥有丰富的石墨资源，在石墨烯原料的规模化生产以及在部分下游领域如涂料、电池导电添加剂，实现了产业化，但是目前下游应用仍然集中在附加值较低的产品上，高附加值产品进展薄弱。

目前掣肘石墨烯产业发展的关键性问题是制备高质量的石墨烯，结合各个国家相关政策可以看出，未来一段时间内研究发展的重点是产业链中游的石墨烯材料的研究。当前，石墨烯制备方法主要有机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化还原法。

在下游产业应用上，石墨烯的应用领域主要涉及电子器件领域、光电器件领域、能源领域、复合材料领域、生物医用领域以及环境领域。在电子设备领域，石墨烯由于具有优异的电学性能，研究者已将其应用于电子器件中，目前已开发出在沟道层使用石墨烯的高速动作性RF电路用电场效应晶体管、在SiC晶元上集成使用石墨烯作为沟道的晶体管和电感器、工作带宽超过10GHz的混频器IC。在能源领域，石墨烯优良的导电性可大幅提高电池的输出功率密度，石墨烯制备的锂离子电池、超级电容器充放电速率远远高于普通电池。在光电器件领域，透明导电膜是最接近实用化的应用例之一，石墨烯可作为ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、有机EL照明等，据报道目前手机用石墨烯电容触摸屏已研制成功。石墨烯基的复合材料对材料的机械强度、导热性、吸附性等方面都有很大程度的提升，被看好是制作“宇宙电梯”的缆线材料，近期也被提倡用于散热等方面。在生物医药领域，石墨烯纳米生物分子传感器研究也取得突破性的进展。

从国内外石墨烯材料的研究领域上看，我国与国外的研究不分伯仲，甚至在部分领域处于领先水平，到2015年，中国关于石墨烯的研究论文发表数量在全球处于第一位，达到34％，超过美国的19％。与国外相比，我国在石墨烯材料生长与制备方法方面已经取得突破性进展，研究水平进入到国际先进行列。

从石墨烯规模化量产上看，我国已可以实现石墨烯粉体和浆料的规模化生产，与国外不相上下。

在产业应用上，国内目前集中在导电散热膜（包括发热服装、理疗产品等）、电池导电添加剂、散热材料这几个领域，并且均已实现了产业化应用。而欧美日韩等发达经济体主要集中在光电部件、传感器、医疗和环保材料等高端领域，相比之下，我国对高科技产品中石墨烯的应用准备不足，例如，在新能源电池领域，美国开发的石墨烯电池技术应用于新能源汽车已可以达到续航里程643公里，并且可以产业化应用，而我国新能源电池技术虽已有实质性进展，尚不能实现产业化。在涂料领域，我国大力发展石墨烯在防腐涂料中的应用，但是在耐盐雾、耐雨蚀方面与国外差距较为明显。

21世纪最有前途的材料

石墨烯利益相关者协会（GSA）表示，石墨烯被研究人员和技术人员誉为21世纪最有前途的材料之一。尽管如此，研究人员说，“我们还处于了解石墨烯及其潜力的早期阶段，因此还有许多研究测试和开发工作要做。并且，由于可量产性和成本，石墨烯将面临不小的普及障碍。”

石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

参考文献：

https://techxplore.com/news/2015-03-lightbulb-graphene-sale-year.html

https://www.seratechnologies.com/what-is-a-graphene-led-bulb/

https://www.bbc.com/news/science-environment-32100071

https://lighting.ofweek.com/2018-12/ART-34004-8420-30290007.html

https://lights.ofweek.com/2015-12/ART-220001-8440-29037782_3.html

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