一支铅笔、一卷胶带，搞定一个诺贝尔奖｜“新材料之王”石墨烯的传奇故事
DT-导读
聚焦石墨烯的故事
近日，“华西能源”收购“恒力盛泰”项目媒体沟通见面会在厦门举行，恒力盛泰成立时间尚不足一年，最终估值却高达近百亿资金，该事件引起产业界的持续关注与热议。
石墨烯是如何从科学家的实验室诞生，怎样的奇特结构赋予了这种材料不可思议的神奇性能，红遍全球、掀起研究热潮的石墨烯是小众炒作还是“点石成金”的魔法棒，石墨烯产业化道路面临哪些困境，距离大规模生产应用还有多遥远，国内石墨烯在全球市场占有多大份额，石墨烯的未来将向何处去？
让我们一起，深度剖析“石墨烯”及其背后的故事。
自从2004年问世以来，石墨烯便始终处于风口浪尖之上，从科学界到产业界、甚至大众舆论，对于石墨烯的话题始终保持高昂兴趣。
然而，与此同时，来自各方的争论也层出不穷，令人眼花缭乱，而真相却始终扑朔迷离。
机缘巧合之下，石墨烯是怎样从科学家手中横空出世，未来又将会向何处去，推崇者眼中的这种“万能”材料究竟怎样改变我们的世界，而谨慎的批判者口中“不靠谱炒作”又暗示着哪些不能说的秘密。
一文解读石墨烯。
一卷胶带、一支铅笔，搞定了一个诺贝尔奖 | 石墨烯的诞生趣事
2004年，极为寻常的一天，大英帝国的科学家安德烈•海姆（Andre Geim）和以往一样，醉心于石墨这种结晶形碳的研究，康斯坦丁•诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）是他的黄金搭档，二人从博士期间便开始合作，亲密而默契。
在平凡的石墨材料身上，探索出一种新的可能性，谈何容易。此前他们已经尝试过数种方法，均不奏效。偶然间，桌上的一支铅笔吸引了注意力，人们很早便发现，石墨自身有一种特殊现象，即能够像铅一样在纸上留下痕迹，因此，含有石墨的铅笔才作为书写工具被广泛使用。
安德烈•海姆拿起铅笔头，将其中的石墨分离成微小碎片，再尽可能剥离出薄片，将一段塑料胶带粘住石墨片的两侧，撕开，薄片一分为二。随后，二人像是着迷的顽童，沉浸其中，不断重复上述过程，直到采用这种剪切方式剥离出了单独的碳原子，更让科学家梦寐以求的是，其二维结构并未损坏，理论厚度仅0.34nm的石墨烯，是头发直径的二十万分之一，在经过长时间的反复试验后，终于如愿来到世间。
既不费力、更不烧钱，如此崇尚极简情怀的“实验”，竟然开启了材料领域一个崭新世界的大门。随后，这一成果被公诸于世，像平地惊雷，引起了巨大反响和热烈讨论。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的纳米材料，石墨烯被称为"黑金"，享有 "新材料之王"的美誉，科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。
先是被寄予“改变未来世界”的厚望，2010年10月05日，瑞典皇家科学院庄严宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，这项具有里程碑式意义的顶级成果，终于突破失败的阴影、外力的阻挠、普通的表象，在全球掀起了一场革命。
石墨烯戏剧般的命运，是一支铅笔、一卷胶带的逆袭，更是科学家汗水与灵感的结晶，他们用平凡的道具，结合自己的非凡智慧、美妙创意，演绎了一段震撼人心的故事，大道至简，却最是考验人心。
万千宠爱于一身 | 石墨烯的结构之谜
作为人类发明的第一种单原子二维碳膜材料。安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫定义了石墨烯：紧密折叠成二维（2D）蜂窝状栅格结构的平坦单层碳原子，为精确起见，人们将其分为“单层石墨烯”和“少层石墨烯”（小于10层）”，10层以上称之为“石墨微片”。石墨烯的高强度、透光、导电等诸多优异性能，在单层结构中表现得尤为充分和惊人。
石墨烯的电子运动都被限制于一个平面上。并且，由于碳原子间的作用力强，即使经过多次剥离，其结构依然完整，而石墨烯的特别之处还在于其可塑性强，十分灵活。
图：碳材料，从零维到三维
显然，研究者对于石墨烯能够发挥无尽想象力。把石墨烯以堆垛方式层层叠加，便可生成三维结构的石墨；将石墨烯卷曲成圆筒状，即是一维碳纳米管；将石墨烯制成球状或椭球状，便得到了零维的富勒烯。从零维 、一维到三维，人们在原子层面上做各种转换拼接，就像玩“乐高积木”。基于此种原理，石墨烯可作为组成其他碳材料的结构基础。
安德烈•海姆认为：“将石墨烯与其他材料进行人为整合，花费几周时间将原子搭配设计出一个复杂的结构，会让石墨烯更加有魔力”。
而提及自己的重大发现时，他表示， “在石墨烯基础研究中很多科学发现让人吃惊，而让新发现的材料变得有用是非常酷的，其中将有无数个研究和开发的可能性有待探索。这样的研究深深地影响到我们。”
此前，人们普遍认为，二维晶体只能以平面形式稳定存在，犹如将三维晶体减薄至一个原子层的厚度。传统理论认为，准二维晶体结构，因其热力学不稳定性，在自然界中几乎无法存在。出人意料地，2004年，英国学者安德烈•海姆与其合作者康斯坦丁•诺沃肖洛夫分离出单原子厚度的石墨烯，证实了二维材料在常温常压下可稳定存在。
图：石墨烯的物理性能
作为世界上最薄、最硬的材料，现有实验结果显示，十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径；用石墨烯特制的包装袋，能承受的重量达到两吨；此外，石墨烯电阻率极低，电子迁移速度飞快；石墨烯透光率高达97％，透明却不透气。
从保护层、透明电子产品原料到超级电容、信息存储器件、高性能复合材料，甚至催化剂载体、药物输送，石墨烯的发现开启了二维材料的世界之门。
这么近，那么远 | 制备石墨烯，要遭遇哪些严峻挑战
2004年，安德烈•海姆、康斯坦丁•诺沃肖洛夫仅仅使用铅笔与胶卷，经过不断细化，最终获得了珍贵的单薄片层，这种方式被称为“微机械剥离法”。
随着石墨烯研究不断在世界各地掀起热潮，经过十几年艰辛探索，新的方法被逐渐开发，目前，石墨烯的制备方式主要还包括外延生长法、化学气相沉淀CVD法和氧化石墨还原法。方法似乎多样，但是，真相却不容乐观：现有技术条件下，想要获得低成本、品质佳、效率高的石墨烯，仍然困难重重。对于各种制备方法，逐一进行分析：
微机械剥离方法过程简单、制作的样本质量高，是目前制取单层高品质石墨烯的主要途径。但其可控性较差，获得的石墨烯尺寸较小且不确定性明显，此外，这种方法较为原始，效率低，耗费高，很难进行大规模生产。
化学气相沉淀CVD法，被人们认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法，但是后期转移过程比较复杂，制备成本较高，另外基底内部C生长与连接往往存在缺陷。
此外，氧化石墨还原法也颇受青睐。由于操作简单、成本不高，有利于规模化生产，氧化还原法成为生产石墨烯的最佳途径之一。现有成果表明，应用这种方法，还可产出功能化石墨烯。由于单层石墨烯非常薄，容易团聚，导致降低石墨烯的导电性能及比表面积，进一步影响其在光电设备中的应用，另外，氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，如碳环上碳原子的丢失等。
其他制备石墨烯的方法，还包括碳纳米管切割法、石墨插层法、离子注入法、高温高压HPHT生长法、爆炸法以及有机合成法等。
图：石墨烯
除了上述严肃的实验方式，还有一些有趣的英国学者将石墨粉与“分解融液”放入实验室的混合器里搅拌得到石墨烯，而电子显微镜分析显示，这种制备石墨烯的方法产量，竟然高达每小时5克，他们甚至还发现即使用厨房的搅拌器和“小仙女洗衣液”（一种英国的洗洁精）也可以完成这项任务。
石墨烯领域如同一个充满魅力的宝库，启迪人们进行各式各样富于想象力的探索，尤其在其制备方面，研究者可谓绞尽脑汁、不遗余力，所用方法涵盖了机械操作、物理方式以及化学反应，孜孜不倦地寻找最优化选择。
但是，显然，客观地说，石墨烯的制备技术仍然有待发掘与完善，石墨烯，离我们如此近，却又仿佛很遥远，那些令人惊叹的神奇性能，不知何日能一一实现。
“人红是非多”| 解读石墨烯产业化面临的重大争议
短短十多年来，天赋异凛、“红到发紫”的石墨烯，无可置疑地成为材料家族的新宠，饱受赞誉，然而，随着研究深入，一方面，材料的卓越性能被不断发掘，令人欣喜，另一方面，由于隐藏的巨大潜能和吸金能力，资本市场蜂拥而入，“炒作嫌疑”不断加深，石墨烯，在崇拜者的颂扬与批评者的贬损中，正面临前所未有的争议。
有学者认为，国内石墨烯炒作现象严重，其进展不容乐观，产业化应用更是困难重重。作为一个高速发展的新领域，尚处于成长期，短时间内难以迅速获益，一蹴而就只会适得其反。具体表现如下：
制备技术不成熟：
无论使用哪种制备方法，获得单层石墨烯的难度都极大，而国内能够制造单层石墨烯的企业却少之又少，大部分样品都是两层、三层甚至多层。
实验证明，石墨烯的顶尖性能，只有质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低。
因此，要真正实现产业化，体现出石墨烯独一无二的品质，必须突破现有制备方法。这也是石墨烯产业化最严峻的阻碍之一。
粗放发展，应用领域较低端：
目前，石墨烯的存在形式主要包括粉体与薄膜。资料显示，粉体主要应用于新材料领域与能源领域，如防腐涂料、散热材料、锂离子电池等。薄膜多应用于电子领域、环境领域和医药领域等，如触控屏、电子元器件等。而对于企业来说，出于成本与利益考量，更热衷于两个应用方向，一是防腐涂料；二是动力电池。
当前，我国的石墨烯相关企业、研究机构多达500多家，但主要将其作为添加剂使用，对传统产业进行修补。缺乏深入与本质的研究，更别说拓展。
反观欧美国家，对于石墨烯的研究则主要集中在光电器件、传感器、医药、环保材料等高端领域。
针对此种现象，中国国际石墨烯资源产业联盟副秘书长赵猛表示：“石墨烯的投资像当年的造船、光伏，显得过热。”
一方面，石墨烯的应用研究亟待完善，另一方面，我国的近千家石墨企业，滥采乱掘、采富弃贫、粗放经营、管理水平低，还导致了石墨资源大量浪费。科技部有关人士透露：“如果按照目前的开采方式和速度，最多20年，国内已探明的石墨资源将消耗殆尽，届时中国将从国外高价进口石墨，由石墨大国变成石墨贫国。”
市场有风险，资金耗费多、人才不到位：
石墨烯制备技术十分欠缺，因此成本低、投入大，不但技术方面存在风险，资金上，也有一定的盲目性。
目前，涉及石墨烯产品研发的主要以中小企业和初创企业为主，有影响力的百强企业还很少参与石墨烯材料制备和应用，导致相关技术、资金、市场渠道等发展支持不足“企业规模小，所以没人敢投，然而缺乏资金又会导致企业无法做大，从而形成恶性循环。”业内人士表示，石墨烯发展要靠烧钱，要扛得起失败才行。
石墨烯这个材料界的“大红人”，目前处于争议的漩涡中，面临着困境：制备和应用技术受到制约，难以大规模产业化，但毫无疑问的是，作为一种颇具潜力的材料，石墨烯的确正在改变我们的世界。
国内现状｜石墨烯的征途，也许才刚刚开始
诺贝尔奖的力量是毋庸置疑的，话说自从2010年，两位“父亲”废寝忘食地创造了石墨烯以来，一股研究、投资风潮便从实验室迅速席卷全球。
虽然距离大规模生产与应用尚且有一段艰辛的道路，然而，这丝毫不影响石墨烯在资本市场日益扩张的版图和野心。
根据中国石墨烯产业联盟的预计，目前全球石墨烯年产能达到百吨级，未来5~10年将达到千吨级。到2020年，全球石墨烯市场规模将超1000亿元，其中中国占50%~80%，中国将在全球石墨烯产业中起到主导和核心作用。
国家将石墨烯作为战略产业规划给了业内更多的期望。《中国制造2025年》明确提出，我国石墨烯产业到2020年将形成百亿元的产业规模，2025年将达到千亿元的产业规模。目前，江苏、重庆、宁波、青岛、德阳、河北、北京等地已在布局石墨烯产业。
图：2005年-2015年间，中国石墨烯专利申请量
这些数据为进军石墨烯产业的企业而言，无疑于一颗“定心丸”。在此形势下，石墨烯的研发机构，也五花八门，不断涌现，中坚力量不仅包括最初的政府、高校及科研院所，近期，一些企业中的石墨烯研究和投入也占到很大的比重。据统计，华丽家族、德尔未来、东北证券、中国宝安、中泰化学等上市企业已经通过收购、入股等形式进军石墨烯领域。
据了解，目前国内可以实现石墨烯小规模生产的企业不超过5家。在缺乏足够数量大企业进入的情况下，上市公司已成为推动我国石墨烯产业发展的中坚力量，石墨烯产业化颇受资本市场关注。截至今年9月，已有18家上市公司不同程度上参与到石墨烯产业的布局。
像一颗璀璨的星，在投资者眼里，石墨烯照耀着未来市场的巨额利润，在研究者心中，石墨烯象征着探索更多未知发现。
禁得住赞誉、受得住诋毁，世界上没有一种材料是完美的，石墨烯的征途，也许才刚刚开始。
如果注定要与众不同，目前最需要的，也许是多一点证明的时间，让炒作的喧哗走远，让有价值的研究回归，让石墨烯，竭尽所能，更多地造福人类。
敬请关注：
电话：0574-86688922
邮箱：info@polydt.com
网址：www.carbonconf.com
喜欢就点点关注，分享一下吧！
文中部分内容来自互联网
欢迎加入DT高分子在线碳材料交流群，添加小编微信zhangls0827，即可轻松入群。
DT高分子 碳材料交流群