石墨烯 20 周年：为什么这种 “神奇材料 “终将大放异彩？

石墨烯坚固、轻盈，具有惊人的电子特性，一直被誉为 “神奇材料”。但在首次剥离出石墨烯二十年后，詹姆斯-麦肯齐（James McKenzie）认为，石墨烯终于兑现了它的承诺

市场优势 由于石墨烯强度高、重量轻、导体性能好，它的应用领域非常广泛，但最大的应用领域将是电子设备、电池和复合材料。(提供：飞机 Shutterstock/muratart；手机 Shutterstock/Andrey Suslov；电池 Shutterstock/PabloUA)

除非您直接参与石墨烯的研究和开发，否则您可能对这种所谓的 “神奇材料 “只有一个模糊的概念。没错，您一定还记得 2004 年安德烈-盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁-诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）首次剥离出石墨烯时的激动心情，以及六年后他们如何获得诺贝尔物理学奖。但是，你可能会认为所有关于石墨烯的喧嚣不过是媒体的炒作。

然而，我最近在 IOP 出版社的《二维材料》（2D Materials）杂志（11 022002）上看到了一份路线图，宣称到 2027 年，石墨烯应用市场的价值将达到 55 亿美元。根据我的经验，有关材料市场的报告很少有用。如果你想确定硅相关材料的市场规模，就有可能把光纤、电子产品、太阳能电池、玻璃、建筑用砂（二氧化硅）和太阳镜等所有材料都混为一谈。

不过，这份关于石墨烯的新报告非常出色，其中有 200 多处详细参考资料。事实上，我认为报告基于 130 项独立分析对石墨烯市场规模的综合估计可能是正确的。当然，你不可能在亚马逊上买到石墨烯产品，但其应用远比你想象的要微妙和普遍。事实上，我想说的是，它们相对忠实地遵循了最初炒作的故事情节。

新报告由位于德国卡尔斯鲁厄的弗劳恩霍夫系统与创新研究所的亨宁-多舍尔（Henning Döscher）及其同事撰写，源于欧盟耗资 10 亿欧元的大型石墨烯旗舰项目。该项目于 2013 年启动，从研究石墨烯对健康的影响（并无大碍，以防万一）到开发石墨烯的应用和发掘新市场，该项目无所不包。

从材料到市场

我第一次看到石墨烯的潜力要追溯到 2011 年，当时我正在经营一家 LED 照明企业，应邀参加了一个关于石墨烯在照明领域的影响的研讨会。当时，LED 从背面发出的热量比从正面发出的光还要多。因此，我想知道石墨烯–一种具有近乎钻石般热传导性的材料，而且制造成本可能很低–是否有用。

遗憾的是，石墨烯并没有成为杀手级应用。2010 年，美国能源部发布了极具影响力的 LED 效率技术路线图，该路线图预测，到 2015 年左右，各家公司将常规使用塑料制造耗电量低于 10 W 的灯泡。但到 2020 年，LED 灯泡的性能将更上一层楼，只需 5 W 就能产生相同的光量，同时几乎不散发 2 W 的热量。换句话说，热管理不再是照明的真正问题。

不过，2011 年的研讨会让我看到了石墨烯的惊人特性。大家可能都知道，石墨烯是由碳原子组成的单层，排列成强键合的六边形蜂窝晶格。它也非常薄，只有 0.345 纳米深。正是这些特性使石墨烯在强度、导电性和传热性方面打破了许多记录。

自从盖姆和诺沃肖洛夫最初在曼彻斯特大学使用著名的 “苏格兰胶带法”（一种简单而廉价的剥离工艺，即使用粘性胶带从石墨块顶部拉出碳层）创造出石墨烯以来，石墨烯和炒作就如影随形。此后，人们又开发出了其他更复杂、更昂贵的方法，用于制造更大和/或更均匀的石墨烯材料，以满足不同的应用需求。

1 实现增长

基于 103 份单独的市场报告，《二维材料》（2D Materials）杂志（11 022002）上的一项荟萃分析给出了 2015 年至 2027 年石墨烯全球市场的估计值（单位：百万美元）。真实的市场规模可能介于最小预测值和最大预测值之间，很可能接近曲线的平均值或中位数。(资料来源：二维材料 11 022002，IOP）

石墨烯是一种非常好的导体，其强度是钢的 200 倍，因此，人们对石墨烯如此兴奋是显而易见的。但对于熟悉 “Gartner 炒作周期 “的人来说，石墨烯的早期承诺很快就会随着人们失去兴趣和热情而跌入 “幻灭的低谷”，这一点也不足为奇。 然而，正如 Gartner 周期对任何新技术的精彩预测一样，我们现在正处于 “生产力高原”，真正的应用和产品开始出现。

细分市场

过去 20 年来，无数科学家和工程师一直在开发石墨烯的应用，申请了数千项专利，并在此基础上建立了数百家企业。新发布的《二维材料》报告将石墨烯的众多应用分为三个细分市场。它们分别是：石墨烯电子器件（利用其独特的电学特性）；石墨烯复合材料（侧重于其硬度和强度）；以及石墨烯电池（其性能可能优于其他所有材料）。

报告估计，2022 年石墨烯市场价值约为 1 亿美元，并以 20-30% 的复合年增长率增长。作者认为，石墨烯最大的潜在应用领域是石墨烯电子产品，未来几年市场价值可达 10 亿美元。预计增长率可达 40%，从长远来看甚至可能更高。

据位于曼彻斯特的英国国家石墨烯研究所的研究人员称，石墨烯可能会带来新一代的电子元件，包括速度更快的晶体管、功能更强大的半导体，甚至是 “可弯曲 “的手机。不过，石墨烯即将商业化的一个领域是光电子学，特别是触摸屏、液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）。

2 电力用户

按优先权日期在 2000 年至 2020 年之间的专利发明人的国籍计算，中国和美国拥有的石墨烯专利比其他任何国家都多。根据专利标题或摘要中 “石墨烯 “的关键词搜索，显示的信息包括从石墨烯的实际应用到制造这种二维材料的方法等各个方面。(资料来源：二维材料 11 022002，IOP）

这是因为石墨烯是一种几乎完全透明的高导电材料，因此可以取代被广泛用作智能手机和其他触摸屏显示屏涂层的氧化铟锡（ITO）。事实上，沉积在二氧化硅等基底上的大型石墨烯薄片具有极高的抗拉强度和柔韧性，可以达到可卷曲电子纸所需的 5-10 毫米的厚度，这意味着石墨烯将很快被用于这些应用中，这几乎是不可避免的。

石墨烯也是一种半导体，2008 年，曼彻斯特的研究人员利用石墨烯制造出了世界上最小的晶体管–只有 1 个原子厚、10 个原子宽。但是，由清华大学的何田和任天令领导的中国团队最近在此基础上更进一步，制造出了一个可行的石墨烯晶体管栅极，长约 0.34 纳米，大约相当于一个碳原子的大小（《自然》603 259 期）。在未来二十年里，这样的设备可以帮助电子工业维持摩尔定律–芯片密度每两年翻一番，而这一定律已越来越难以维持。

片状石墨烯的可能性 石墨烯是由碳原子组成的单层物质（深度仅为 0.345 纳米），以强结合的六角蜂窝状晶格排列。石墨烯具有很强的强度、导电性和传热性。(图片来源：Shutterstock/Ambelrip）

就传感器而言，石墨烯非常有用，因为它只有一层原子厚度。因此，每个原子都暴露在环境中，并能高度适应周围环境的变化。对于化学传感器来说，目标是能够检测到一个分子。在这方面取得进展的一家公司是剑桥大学分拆出来的 Paragraf 公司，该公司声称自己是世界上第一家利用标准半导体工艺大规模生产石墨烯电子器件的公司。该公司最初专注于生物传感器和磁场传感器，但如果其网站属实的话，Paragraf 还有更宏伟的计划。

该公司的磁场传感器通过霍尔效应测量微小磁场产生的电压，可在低温至 350 K 的范围内工作，磁场强度从 10 µT 到 30 T。

3 巨额利润

根据 2021 年至 2022 年发布的市场报告，本图显示了石墨烯整体市场 ◆（红色）以及复合材料 ▲（橙色）、电子 ◼（茶色）和电池 ●（紫色）三个主要细分市场的收入和复合年增长率。(图片来源：2D Materials 11 022002, IOP）

甚至有人说要将石墨烯用于量子计算机。双层石墨烯（BLG）就是这方面一个很有前景的发展，由于它具有所谓的 “谷态”，可以用来制造长寿命、电可控的量子比特（量子比特）。 苏黎世联邦理工学院的研究人员最近在这一领域取得了令人兴奋的进展，有可能实现可扩展的量子比特，尽管现在还为时尚早（《自然-物理》20 428 期）。

至于石墨烯作为复合材料的用途，则完全归功于这种材料在强度、刚度和轻度方面的独特组合。石墨烯的极限拉伸强度为 130 GPa，大约是 “A36 “结构钢 0.4 GPa 和防弹背心中凯夫拉材料 0.4 GPa 的 300 倍。石墨烯还比纸轻一千倍，一平方米的石墨烯仅重 0.77 毫克。

石墨烯能够阻挡无线电波，抵御冲击的能力比钢或凯夫拉纤维强 10 倍，是 21 世纪防弹衣的理想材料。长期以来，航空工程师们一直试图通过在飞机钢架中加入碳纤维，使飞机变得更轻、更坚固。但是，由于石墨烯更坚固、更轻巧，它可以用于完全取代钢材的复合材料，从而提高飞机的燃油效率。

至于电池–这是新报告中提到的第三种应用–人们希望石墨烯制成的电极能显著提高充电速度。但是，包括电子巨头三星和华为在内的几家公司正在更进一步，开发基于石墨烯和其他材料的整体电池化学，以利用其独特的性能。

与现有的锂离子电池相比，这些公司的电池充电速度更快，单位体积储存的能量也更多。这对电动汽车来说可能是个好消息，因为从数量上看，电动汽车是最大的潜在市场。但是，最终决定这些应用是否成功的将是简单的 “每公斤成本”–在石墨烯电池进入市场之前，还有许多工作要做。会实现的，但可能不会在 2030 年代之前

石墨烯电池的近期应用预计将是移动设备，三星和华为已经宣布了这一领域的发展。需求肯定是存在的：事实上，我相信手机用户会愿意为能量密度更高、续航时间长五倍、充电速度快 60 倍的设备支付额外费用。

展望未来

石墨烯潜力巨大，但二维材料路线图提醒我们，新技术取代现有技术绝非易事或一蹴而就。基于石墨烯的产品必须比市场上已有的产品性能更好、成本更低，才能胜出，甚至有机会获得成功。我再三强调这一点：石墨烯要想成功，关键在于经济效益。

对石墨烯优点的含糊其辞是行不通的。石墨烯必须提供具体的实际应用，让消费者受益。如果石墨烯要实现自己的承诺，就必须在价格和具体性能上击败现有技术。不过，鉴于石墨烯的应用数不胜数，我相信其中一些应用一定会胜出。与所有成功的新技术一样，石墨烯总有一天会在不知不觉中成为我们生活的重要组成部分。