縱觀人類的發展史，就會發現不少突破性的進步本質上都與新能源和材料的發現有關系。而距離石油的規模篩查以及使用已經過去了近百年時間，這就意味著，該有新能源和新材料出來接替它的位置了。

全球能源消費結構示意圖

咱們今天要介紹的這種材料就是可能引領新時代的石墨烯。據悉，像這類超級材料的突圍戰其實早就開啟，而中國也已搶占了先機。

那么，你知道什么是石墨烯嗎？網上說的石墨烯時代即將來臨又是否是真的呢？

“新材料之王”石墨烯

石墨烯到底是什么？

首先咱們先來簡單介紹一下石墨烯，作為一種全新的材料，它確實足夠新，因為科學家是在2004年才發現它的。

當時英國曼徹斯特大學的兩位科學家在不斷分割石墨薄片的過程當中，剝離出了僅由一層碳原子構成的薄片，也就是咱們今天所說的石墨烯。

發現石墨烯的兩位科學家

在不少人看來，不就是“切片”嗎，這好像也沒什么困難的。事實上，在后續的實驗當中，科學家找到了更多的石墨烯制備方法。這“切片”工作確實沒多難，但是石墨烯之所以能成為科學領域的“香餑餑”，重點在于它本身，而不是“切片工藝”。

毫不夸張地說，地球上最不缺的就是碳材料了，并且碳也十分神奇，它既能形成最堅硬的金剛石，又能形成最軟的石墨。

“上帝元素”碳元素

在這種情況下，英國科學家發現石墨烯掀起了新的熱潮，因為它的基本結構單元是有機材料當中最穩定的苯六元環，所以毫無懸念的成為了目前最理想的二維納米材料。

從本質上來說，石墨烯就是由一層密集的碳原子組成的，是人類發現的最薄的二維材料，厚度為0.3354納米。在有了這種特殊結構的情況下，石墨烯擁有了許多區別于其它材料的特性。

石墨烯的化學結構示意圖

比如石墨烯的導熱性非常強，導熱率可以達到達5000 W·m1·K1，是金剛石的3倍。還有它的強度也非常驚人，輕松達到了鋼的100多倍。此外還有載流子遷移率等，都名列前茅。

咱們以載流子遷移率為例，來聊聊石墨烯到底有多強。

原來，由于石墨烯的價帶和導帶部分相重疊于費米能級處，且是能隙為零的二維半導體。在這種情況下，石墨烯成為了目前發現的電阻率最小的材料。

電導率隨石墨烯含量的變化示意圖

它優秀的機械和光點性質，使其可以用來制備成各種柔性電子器件以及功能復合材料。由于石墨本身不是什么稀罕的東西，并且“切片”的成本也不是太高，就使得石墨烯具備了成本低廉、可加工性強、成本低廉等特征。

正是因為這樣，才有科學家指出石墨烯將引領新的時代發展方向，在各個領域當中掀起一場聲勢浩大的技術革命。

不過，這個前提是，科學家針對石墨烯的各個特性然后利用相關方法對其進行功能化，從而賦予其新的性質。

未來的神奇材料石墨烯

功能化石墨烯的相關應用

首先就是基于石墨烯的聚合物復合材料的出現。比如科學家認為石墨烯是可替代碳納米管的理想填充物，其分散性與聚合物基體的相互作用會影響到復合材料的制備。

在這種情況下，制備方法的探索還是經歷了不少時間的，但是好在最后的結果沒讓人失望。這些石墨烯填充聚合物的復合材料抗拉強度都有了明顯的提升，并且石墨烯的存在還使復合材料的穩態磨損率降低了將近75％。

資料顯示，Zhao等通過溶液混合制備了石墨烯含量為1.8vol%的聚乙烯醇(PVA)復合材料并研究了其力學性能，他們發現復合材料的抗拉強度提高150%，楊氏模量提高了10倍左右。

石墨烯復合材料的制作流程示意圖

當然，除了這種石墨烯填充聚合物的復合材料以外，還有層狀石墨烯聚合物復合材料、石墨烯基無機納米復合材料等等，這些復合材料的性能都有顯著的提升。

其次就是石墨烯可以用在光電功能材料與器件領域當中，因為它的結構特性十分符合非線性光學材料的需求。

擁有多功能用途的石墨烯材料

以電子器件的開發為例，石墨烯不僅被認為是擁有巨大潛力的新型PET材料，還被科學家制成了“石墨烯帶”。

Dai等首先制備了PmPV功能化的石墨烯帶,該納米帶的寬度可以在50~10納米以下,具有多種形態和結構。他們發現,當石墨烯納米帶的寬度在10nm以下時,呈現出明顯的半導體性質。

石墨烯納米帶示意圖

最后就是因為石墨烯具有單原子層結構，所以它的比表面積非常大，這就非常適合作為藥物的載體。不少科學家都利用這一特性，讓其實現了更高負載，負載量遠高于傳統藥物。

總之，在石墨烯有著出色光電效應、導熱性能、力學特性的情況下，它未來的發展領域確實是相當廣闊的，如果研究到位，確實能引領時代。而對于即將到來的石墨烯時代，中國也早已搶占先機。

基于石墨烯的藥物載體示意圖

中國早已搶占先機

咱們在前文中介紹石墨烯的時候就提到，這家伙是本世紀才出現的產物，所以不像是此前出現的那些材料研究，我國在時間上會有所落后，各國對于石墨烯材料的研究可以說是在同一個起點之上的。

在這種情況下，中國很早就察覺到了這場圍繞著石墨烯展開的超級材料突圍戰已經開啟，所以提前做了不少準備，試圖搶占先機。從目前的研究成果來看，這個先機咱們確實是得到了。在大部分地區推行扶持石墨烯產業發展的情況下，更多的人投身于石墨烯研究領域，創造了佳績。

石墨烯應用技術類型示意圖

此外，我國針對石墨烯資源的普查也是很到位的，在這些年的考察當中，發現的大量的石墨烯資源，已經超過全球發現總量的50％左右。在有了充足資源的情況下，材料的研究和開發就沒了后顧之憂。

正因如此，我國石墨烯研究領域當中碩果累累，申請的專利數量能排到全球第一。并且根據石墨烯產業的市場份額來看，也是相當的驚人，僅2017年和2018年對比就增長了50％以上。

我國受理的石墨烯專利數量變化示意圖

由此可見，我們已經為即將到來的石墨烯時代做好了充足的準備，并且能在十幾年間就獲得這樣的成果是十分不易的。

但需要注意的是，在中國石墨烯產業蒸蒸日上的情況下，仍有許多人不看好它，甚至認為這從頭至尾就是一個騙局。

從目前的情況來看，石墨烯確實沒有為我們帶來實質性的東西，但是這不意味著它的價值就不存在。等到技術成熟，更多的高端產品被開發出來之后，石墨烯的價值將一目了然。很明顯，想獲得這樣的成果，前期的付出是在所難免的。

全球石墨烯產品結構占比對比圖

因此，大家不妨別急著“唱衰”，靜靜地等待幾年，看看石墨烯的研究到底能發展到哪個地步，又能為我們帶來什么樣的便利。

值得一提的是，除了我國早早關注到了石墨烯的巨大發展潛力以外，美國、日本、韓國等多個國家都出臺了有關石墨烯的相關政策。

以美國為例，他們的國家自然科學基金會在2006年到2011年五年之間就資助了近200項與石墨烯有關的項目，并且其國防部高級研究計劃署也從2008年開始，就投入了大約2200萬美元，用于石墨烯的開發和研究。

石墨烯確實是極具潛力的新材料

綜上所述，以各國對石墨烯的重視程度來看，它成為“香餑餑”肯定不是因為炒作這么簡單。在這個新能源和新材料決定未來地位的關鍵時代，誰先在有潛力的新材料開發領域起步，就意味著具備更大的競爭優勢！

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