石墨烯將顛覆未來(lái)戰場(chǎng) 中國決心打造成先導產(chǎn)業(yè)

　　英國開(kāi)發(fā)出一種快速量產(chǎn)的新技術(shù)，中國專(zhuān)家成功研制產(chǎn)業(yè)前景廣闊的石墨烯超強電池，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng ) 新發(fā)展的若干意見(jiàn)》……連日來(lái)，石墨烯概念引起廣泛關(guān)注。實(shí)際上，石墨烯不僅具有廣闊的產(chǎn)業(yè)應用前景，在未來(lái)戰場(chǎng)上也必將帶來(lái)顛覆性的變革。請看科技日報 特約專(zhuān)稿——

　　有學(xué)者曾說(shuō)：“19世紀是鐵器的時(shí)代，20世紀是硅的時(shí)代，21世紀是碳的時(shí)代。”而石墨烯更是碳時(shí)代的代表性材料。石墨烯是一種只有一個(gè)原子 厚度的呈六角形蜂巢晶格(苯環(huán))的二維碳膜。它從石墨中而來(lái)，把石墨片剝成單層形成只有一個(gè)碳原子厚度的單層結構，就形成了石墨烯。盡管石墨烯還未投入大 規模的產(chǎn)品生產(chǎn)階段，但其展現出的性能優(yōu)勢使得人們對其在未來(lái)戰場(chǎng)上的應用前景充滿(mǎn)期待。

　　“削鉛筆芯”的啟示

　　由于石墨晶體中層與層之間的間隔較大，且以范德華力相結合，層狀結構相對松弛，而石墨烯中碳原子之間柔韌性較大，因此，將石墨層層剝離，并最終 得到性能優(yōu)異的單層石墨烯成為幾個(gè)世紀來(lái)科學(xué)界的反復嘗試。但是，石墨烯的制備卻并非易事。舉例而言，一支普通的鉛筆芯大約由300萬(wàn)層的石墨烯所迭加而 成，科學(xué)家們嘗試了很多種辦法試圖將石墨烯剝離，但均以失敗告終。直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆與他的同事從“削鉛筆芯”得到靈 感，偶然中發(fā)現了一種簡(jiǎn)單易行的新方法——微機械剝離法：將石墨薄片粘貼在約15-16cm長(cháng)的塑料膠帶上，然后將膠帶折疊過(guò)來(lái)，粘在薄片的另一面上，將 石墨薄片夾在中間，并將膠帶和石墨薄片分開(kāi)，以此將石墨薄片平穩地分成兩片，厚度減為原來(lái)的1/2。此后，將上述步驟重復10次，不斷分割上次得到的薄 片，并最終得到單層的石墨烯。2010年10月5日，安德烈·K·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的卓越研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　除了微機械剝離法，如今還出現了其他有關(guān)石墨烯剝離的新方法，如外延生長(cháng)法、氧化石墨還原法等等。

　　“神奇材料”的特性

　　石墨烯以其優(yōu)于其他材料的特性必將在軍事領(lǐng)域大顯身手。

　　一是材質(zhì)堅硬。石墨烯的厚度為0.34納米，比表面積約為2630平方米/克，為已發(fā)現的最薄的材料，但其強度卻達到180吉帕(約為普鋼鋼材 的100倍)，是人類(lèi)已知強度最高的物質(zhì)。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家用金剛石制成的探針測試石墨烯的承受能力，在被實(shí)驗的石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，每 100納米距離上的石墨烯可承受的最大壓力達到2.9微牛左右。這意味著(zhù)如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯兼具輕薄而堅硬 的材料特性可以使得其在軍隊輕型運輸裝備、防御型武器裝備的材料生產(chǎn)中發(fā)揮出巨大的潛力。

　　二是透光率高。石墨烯吸收約2.3%的光，而其透光率則在97%以上，這使得它能夠做到幾乎完全透光，加之石墨烯具備良好的柔性?？梢栽O想，如 果手機、平板電腦上的其他部件和材料也應用石墨烯進(jìn)行相應的改進(jìn),那么未來(lái)電子產(chǎn)品的顯示屏就有可能真正實(shí)現可折疊。而這樣的技術(shù)將使得未來(lái)的軍事裝備設 計更加得心應手，富有人性化。美國輝銳科技公司研發(fā)并制造出大面積柔性觸控屏，率先進(jìn)軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場(chǎng)，并獲專(zhuān)業(yè)的科技行業(yè)投資基金IDG資 本入股成為其股東之一?？梢?jiàn)，石墨烯不僅在國防科技領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，其廣闊的應用范圍也引發(fā)了民營(yíng)企業(yè)的密切關(guān)注。除輝銳科技公司外，韓國三星去 年便宣稱(chēng)已將石墨烯成功應用于觸摸平板顯示器，并制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，可廣泛應用于移動(dòng)設備。

　　三是能量損耗低?？茖W(xué)人員通過(guò)對機械剝離法制備的石墨烯進(jìn)行研究發(fā)現，在石墨烯的導帶和價(jià)帶之間有重疊，而電子和空穴在其中均有很高的遷移率， 其電子遷移的速度僅為光速的三百分之一，遠遠高出其在硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。一方面，由于石墨烯電阻率極低，這樣高的電子遷移速率使得石墨烯 的能量損耗極低。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(微博)教授曾長(cháng)淦曾說(shuō)：“電子在石墨烯里邊好像沒(méi)有質(zhì)量一樣，運動(dòng)速度非?？?。”另一方面，相對于現在普遍使用的硅基材料，石 墨烯具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗室中的石墨烯場(chǎng)效應晶體管主頻達 155G，這對于提高芯片性能具有顯著(zhù)影響。這將使得未來(lái)國防科技裝備具備更快更強的“大腦”。

　　此外，石墨烯對于氣體、液體等幾乎是“零滲透”。這意味著(zhù)，如果給艦艇涂上石墨烯涂層，就好似穿上一身“刀槍不入”的防腐鎧甲。這些令人感到驚奇的特性也讓石墨烯在短短數十載中逐漸成為人們公認的“新材料之王”。

　　“革新裝備”的應用

　　武器裝備是戰爭的主要物質(zhì)手段，受軍事需求牽引和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)而發(fā)展。實(shí)驗數據顯示，石墨烯可以迅速分散沖擊力，并能中斷通過(guò)材料的外展波，承 受沖擊的性能遠勝鋼鐵和凱夫拉等材質(zhì)。此外，科研人員發(fā)現細菌的細胞在石墨烯的紙上無(wú)法生長(cháng)，而人類(lèi)細胞則不會(huì )受損，利用這一點(diǎn)可以利用石墨烯來(lái)做繃帶、 食品包裝甚至抗菌T恤衫。

　　如今，一方面，石墨烯已在未來(lái)軍備競賽中表現出巨大的應用潛力，成為大國發(fā)展軍事技術(shù)的關(guān)鍵突破口;另一方面，石墨烯所存在的隱患也是不能忽略 的。舉例而言，石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它的制備成本很低，雖不能用來(lái)做電池、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域，但依然是電子 紙等的優(yōu)選材料。但其對人體很可能是有毒的，并且科研人員發(fā)現它在地表水里非常穩定、極易擴散。

　　前不久，工信部、發(fā)改委和科技部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，提出將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導產(chǎn)業(yè)，逐漸實(shí)現石墨烯材料在部 分工業(yè)產(chǎn)品和民生消費品上的產(chǎn)業(yè)化應用，并提出到2020年，形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系。根據此次三部門(mén)印發(fā)的《意見(jiàn)》，未來(lái)，石墨烯將在航空航天、武器裝備、重大基礎設施，以及新能源、新能源汽車(chē)、節能環(huán)保、電子信息等領(lǐng)域有廣泛應用。

　　筆者認為，在石墨烯的技術(shù)發(fā)展上，首先是要把握發(fā)展時(shí)機，實(shí)現技術(shù)創(chuàng )新;其次，由于石墨烯的研究還不成熟，并存在著(zhù)風(fēng)險和不確定性，因此，制定 出科學(xué)合理的技術(shù)路線(xiàn)是實(shí)現跨越式發(fā)展的關(guān)鍵所在。如康斯坦丁·諾沃肖洛夫曾說(shuō)：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應用領(lǐng)域里才能充分展現，即那些設計時(shí)就 充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來(lái)替代現有產(chǎn)品里的其他材料。”