【科技评论】颠覆未来作战的前沿技术系列——石墨烯
本文由《军事文摘》杂志授权发布，刊载于2015年第8期，敬请关注！
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石墨烯是一种由碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家成功地从石墨中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，因此荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球热潮。石墨烯优异的性能使得它在多个领域具备变革潜力，已经有所建树的领域包括散热材料、柔性触摸面板、微型传感器、电容、芯片材料等，在信息技术、航空航天、生物环保等领域显现了巨大的应用前景，将对人类社会产生广泛影响，被称为“改变未来世界的革命性材料”。如果说20世纪是硅的世纪，神奇的石墨烯则是21世纪新材料的宠儿。
“材料之王”性能优异
石墨烯自初次被发现就被赋予“神奇材料”“材料之王”等美誉，单原子纳米结构赋予了它许多无以伦比的独特性能，是迄今发现的厚度最薄、强度最高、结构最致密的材料，并拥有与众不同的电学、热学、光学、磁学等特性。
石墨烯是已知最薄最轻的材料之一，它是单碳原子层，厚度仅有0.34纳米，相当于一根头发的1/200000；石墨烯是已知强度最高的物质，比最好的钢铁还要高上100倍；石墨烯是已知最坚硬的纳米材料，比钻石还坚硬；石墨烯是已知导电性最好的材料，其电子运动速度高达光速的1/300，远远超过电子在一般导体中的运动速度，常温下其电子迁移率是硅的100倍，其可耐受的电流密度是铜耐受量的100倍左右；石墨烯是已知导热性最好的材料，导热系数高达5300瓦/米·度，高于碳纳米管和金刚石，更远高于常用的散热材料铜以及最好的导热金属银（420瓦/米·度），有望成为划时代的散热材料；石墨烯还具备高透光率、高性能传感、高吸附强过滤，常温可实现无散射传输等优良而独特的性能。
石墨烯的单层结构
近期，美国、日本等在制备石墨烯上取得了重要进展。2013年，英国牛津大学团队通过控制碳原子在铜箔上的排列，同时辅以适当压力，从而能够控制石墨烯的厚度、边缘形状以及晶界，向大规模制备石墨烯迈进了一步。2014年，韩国三星公司和成均馆大学联合成功研制出在硅晶圆上合成单晶单层石墨烯的工艺，实现了在硅晶圆上的氢端锗缓冲层生长无皱单晶单层石墨烯，有望解决石墨烯大面积生产问题。2015年，美国能源部橡树岭国家实验室表示，其研究团队采用化学气相沉积法制备出了2英寸见方的单原子厚度的碳复合材料，能消除石墨烯片状集聚问题，这意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料获得更好的导电效果。
全球涌动石墨烯研发热潮
由于石墨烯在能源、材料等各大领域都具有巨大的应用潜力，多个国家纷纷将石墨烯及其应用技术研发作为长期战略予以重点关注。在各方的重视下，石墨烯的研究持续升温，新的发现不断涌现，大大加速了其产业化进程。
多国政府积极布局
美国全面布局石墨烯技术。美国的重点集中在石墨烯替代硅材料技术和电子元器件、储能电池等应用方面，主要由美国国家自然科学基金会、美国国防部及其下属的以国防高级研究计划局为首的政府与军方支持。2006~2011年，美国国家自然科学基金会关于石墨烯的资助项目有200项，包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目；2013年8月，美国国家自然科学基金会设立专项，资助石墨烯热性能和批量制备技术研究。
石墨烯的优异性能
欧盟将石墨烯研究提升至战略高度。欧洲是石墨烯的诞生地，长期以来，一直通过框架计划支持石墨烯研究。2013年，欧盟委员会选定石墨烯项目作为欧盟首个10年投入10亿欧元的“未来和新兴技术旗舰项目”，这一项目的使命是帮助石墨烯从实验室走向社会。该项目由瑞典查尔姆斯理工大学牵头、欧盟15个成员国的100多个研发团队组成，其中包括4名诺贝尔奖得主。2011年，英国政府把石墨烯作为国家今后四个重点发展方向之一，宣布投入7150万英镑支持石墨烯研究，包括建立国家石墨烯研究院。2014年，英国政府联合马斯达尔公司宣布，继续投资6000 万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心，作为国家石墨烯研究院的补充。
日韩等国加大投入力度。日本学术振兴机构从2007年起开始对石墨烯材料、器件的技术进行资助，并以实现绿色低碳为目标重点，支持碳纳米管和石墨烯的批量合成技术研发。韩国预计2012～2018年间向石墨烯领域提供总额为2.5亿美元的资助。
研发应用取得重大进展
石墨烯的发现虽然仅10年左右，却引发了席卷全球的一波又一波研究开发浪潮。特别是近两年来，石墨烯的研究继续升温，新的发现不断涌现，大大加速了其实用化进程，引发了人们的高度关注。
在石墨烯材料研发方面，2013年，美国麻省理工学院研究发现，将具备高电子迁移率的石墨烯薄膜材料置于两片铁电材料之间，石墨烯薄膜材料可以产生太赫兹信号，利用该机理，有望为光电信号互换提供新方式。美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员与莱斯大学合作，在2014年展示了可实现大面积Bernal型（或AB型）堆叠双层石墨烯薄膜的新技术。
在能源方面，石墨烯的应用主要集中在氢能存储、超级电容器制造、锂离子电池和锂-空气电池制造等方面。2013年，美国莱斯大学制造出高比容微型石墨烯锂电池，比容达到204毫安时/克，厚度仅10纳米，充放电时间20秒。试验表明，充放电1000次后电容量仅损耗10%。2014年，麻省理工学院利用两张褶皱的石墨烯纸制作了简单的超级电容器。研究人员证实，这种石墨烯纸可以平复1000次，且制造的超级电容性能不发生明显降低。这种将石墨烯起皱的技术不仅可用于制造超级电容器，也可用于制作柔性电池的电极，或者为特定的化学或生物分子制造可伸缩传感器等。
在探测与传感器方面，2012年，德国慕尼黑工业大学的科学家成功制成石墨烯光电探测器，能非常快速地处理和引导光电信号。2014年，美国密歇根大学的科学家通过将可感应光子的石墨烯薄层嵌入到隐形眼镜之中，从而使昏暗的图像看起来更明亮。
在显示屏方面，2014年，英国剑桥大学的研究人员展示了首个可弯曲的石墨烯柔性屏幕，采用软塑料和石墨烯底板取代了传统的金属电极。2014年，韩国三星先进技术研究院与成均馆大学联合宣布，他们已经合成一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体，这是一种可以用在柔性显示屏和可穿戴设备上的屏幕显示技术。
近期各国主要石墨烯发展计划与项目
在芯片材料方面，石墨烯被誉为“21世纪取代硅的材料”，有望成为新一代的电子元件或晶体管材料。2012年，韩国三星公司利用石墨烯研制出了新的晶体管结构，形成了一个叫做“肖特基势垒”的能源壁垒，通过调整壁垒高度可以实现电流的开关。2014年，IBM公司发布由片级石墨烯材料制造的全功能集成电路，它是最先进的全功能石墨烯集成电路，可使电子设备以速度更高、能效更低、成本更低的方式传递数据信息。
在环保与生物方面，近期进展主要集中在污染物的吸附、海水淡化等。美国莱斯大学和俄罗斯国立罗蒙诺索夫大学的研究人员发现，仅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，并凝结成固体，陆地、水下都能使用。2012年，麻省理工学院研究人员借助石墨烯开发出了一种海水淡化的新方法，通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法，从而改变石墨烯小孔边缘的性质，使其能够排斥或吸引水分子。这种特制的石墨烯就如同筛子一样，能快速地滤掉海水中的盐。2013年，美国洛克希德·马丁公司也研发了一种新的石墨烯海水净化系统，其采用的薄膜厚度是目前市场上最好薄膜的1/500，强度却达到了它的1000倍，过滤同样多的盐分所需的能源和压力也是它的百分之一。
巨大应用前景改变未来战场
石墨烯具有卓越而独特的电学、光学、力学、化学性能，这些优越的性质及特殊的二维结构使其在国防军事上有着难以估量的应用前景，将对未来作战产生颠覆性的重大影响。
利用石墨烯超薄超轻、抗压力强的特性，通过与其他材料复合，研制出了具有超薄、超柔和超轻特性的新型超强材料，可用于机翼、弹翼等。利用石墨烯的导电性和导热性，可代替硅、锗等材料制成电容、晶体管、集成电路，成为新一代电子元件，可用于超级计算机、雷达、通信设备等未来新型军用电子装备上。石墨烯还有望蕴育出新型宽带激光器，并取代半导体可饱和吸收镜成为飞秒光纤激光器的核心材料。
石墨烯可用于防弹衣、装甲车辆的新材料中，用于代替凯夫拉、芳纶等高性能材质，在减轻重量的同时还能提高防护能力。近期实验数据显示，石墨烯可以迅速分散冲击力，并能中断通过材料的外展波，承受冲击的性能远胜钢铁和凯夫拉等材质。用石墨烯制成的防弹衣拥有2倍于现有防弹衣技术（凯夫拉纤维）的防护能力。美国莱斯大学的研究人员进行了一次微观弹道测试，以一颗微小的硅粒以3000米/秒的速度射向单层石墨烯，发现这种蜂巢形结构的材料可有效分散动能，其能力比凯夫拉强2倍，比钢材强10倍。
利用石墨烯透光性好、对环境敏感度高的特性制成的高效光传感器，可用于红外夜视仪和红外热像仪等光电探测装备中，也可以生产导弹用的非制冷红外导引头，提高导弹的精度和毁伤目标的能力。IBM公司已经研制出石墨烯/绝缘体超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可实现太赫兹级频率的滤波器与线性偏光片等光学元件，有助于在未来扩展至中红外和远红外波段的光电设备应用中。2014年3月，美国密歇根大学的研究人员利用石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器，其实现方式是在两层石墨烯之间放置一个绝缘层，然后施加电流，当接触到红外光后，可产生足够的电流生成红外图像。该新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。
石墨烯具有高透明性、强韧性以及优良的导电性，可用于制作各类武器装备上的仪表盘、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯制作的柔性屏幕，不仅清晰度高、安全性好，而且重量轻、便于折叠与携带，在单兵作战系统、增强现实装置、军用可穿戴设备上优势明显。
美国国防高级研究计划局开发的生物组织传感器
在能源方面，石墨烯作为负极材料能够大幅提升锂电池性能，并提高电池的弯曲、拉伸等力学特性；石墨烯同时兼具高透过性和高导电性，使其可成为透明电极应用于太阳能电池；利用石墨烯类膜材料特性，有望解决燃料电池核心部件质子传导膜的燃料渗透难题；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求，普遍认为它有希望成为理想的超级电容器极板料。2012年，美国陆军研究实验室首次证明，在柔性衬底上采用喷墨打印技术可以制备出石墨烯超级电容器电极，并进一步制造出柔性超级电容器原型。运用石墨烯开发的柔性超级电容器可以增强超级电容器的性能并减少尺寸，与电池相比，其功率密度更高、寿命更长，可增加武器和无人系统的动力并减轻重量。
此外，石墨烯还可以制成特殊涂料，用于军舰的舰体防护上，抵御海浪冲击以及水气、盐雾等的侵蚀，大幅提高武器装备的抗腐蚀能力；石墨烯良好的密闭性，不透气透水，且能抑制细菌滋生，可用于制作战地医疗物品、军用食品包装袋等；石墨烯的薄层结构对固体、气体、离子都有着很高的吸附容量，可用于战场污染物的清理，从而降低对生态环境的损害。
结 语
石墨烯的问世不过短短的十余年光景，但其独特的二维晶体结构和优异的物理、化学特性，使它迅速成为众多领域的研究热点，并在国防和军事等领域扮演重要角色。但是，石墨烯的更广阔利用仍面临很多问题需要解决，我们必须统筹规划，精心布局，紧紧抓住石墨烯研发和产业化所带来的重大发展机遇，努力掌握未来科技竞争的制高点。
(本文转自军事文摘微信号:mildig,刊载于《军事文摘》杂志2015年第8期，作者：北京航天情报与信息研究所 吴勤)
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