石墨烯即将到来？石墨烯已经出现（更多石墨烯即将出现）

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2003 年，诺贝尔奖获得者安德烈-盖姆爵士和康斯坦丁-诺沃肖洛夫爵士首次分离出石墨烯。这种非凡的材料具有许多令人兴奋的物理特性，并已进入从电子到环保等多个行业。

在第 11 届海德堡获奖者论坛(Heidelberg Laureate Forum)的传统林道讲座上，诺沃肖洛夫向听众介绍了其中的一些特性和应用。

二维材料

石墨烯是迄今发现的第一种单层材料。它也是最薄的材料（只有一个原子厚），完全不透水，性能超过最好的导体。”诺沃肖洛夫说：”石墨烯的导热性可能是铜的四倍。

就许多实际用途而言，石墨烯是一种二维材料，这赋予了它更多非凡的特性。诺沃肖洛夫说，石墨烯也非常简单。”它只有一个原子厚，而碳是你能想象到的最轻、最简单的元素之一”。

在石墨烯中，电子模仿光子等无质量粒子。石墨烯具有高导电性、高导热性、高柔韧性和高强度，这为其在量子计算、高速电子器件和传感器领域的应用打开了大门。高导电性、高导热性、高柔韧性和高强度使其成为众多应用领域的理想候选材料。新开发的材料通常需要几十年才能进入市场，但石墨烯的发展却异常迅速。

然而，最初的应用并不十分实用。正如诺沃肖洛夫所指出的，新技术往往从小型、高端应用开始，尤其是在体育或奢侈品领域。这位获奖者提到，石墨烯被用于制造世界上最轻的手表，仅重 38 克，不过，正如诺沃肖洛夫幽默地指出的，每克石墨烯 “也是世界上最昂贵的”。另一个类似的早期应用是网球拍等体育用品，用户愿意为微小的性能提升支付溢价。

但是，石墨烯已经超越了奢侈品的范畴。石墨烯目前最重要的应用之一是在电子行业，特别是在现代设备的热管理方面。目前市场上有几款可折叠手机使用石墨烯来提高散热效率，使这些设备在运行时不会过热。这一点至关重要，尤其是在电子产品不断缩小尺寸，同时要求更高的处理能力的情况下。

“你需要真正高效的冷却。为此，你需要具有高热导率的材料，这就是石墨烯。

如果智能手机行业还不够，那么石墨烯的应用已经影响到电信和水净化等行业。

光电和水

康斯坦丁-诺沃肖洛夫在第 11 届海德堡获奖者论坛上发表林道演讲。图片来源：HLFF / FlemmingHLFF / Flemming

这位获奖者继续说道：”在不久的将来，最令人兴奋的应用之一可能就是石墨烯在光电领域的应用。我们现在使用的大部分互联网流量都是通过光缆传输的，但在光信号和电子信号之间来回转换数据既低效又耗能。

诺沃肖洛夫解释说：”理想情况下，你希望直接处理光信号，但为此，你需要在施加电压时能改变光学特性的材料。石墨烯与其他二维材料的结合可以实现这一点，从而实现更快、更节能的数据处理。

欧洲的研究中心已经在探索如何利用石墨烯实现这一目标，以期彻底改变电信和互联网基础设施。

另一个应用领域是海水淡化。由于许多地区面临日益严重的干旱和缺水问题，特别是在干旱和人口稠密地区，海水淡化提供了一个重要的解决方案，即把海水转化为饮用水。在新加坡等地，绝大多数水都来自海水淡化，但也有几个国家使用膜过滤水。

目前，澳大利亚等国正在使用石墨烯制成的膜来过滤水，其效率比传统的聚合物膜更高。这些膜允许水分子通过，同时阻挡盐分和其他污染物，为解决水资源短缺问题提供了更可持续的解决方案。

事实上，对石墨烯的需求已经非常大，生产石墨烯可能成为一项挑战。

石墨烯量产

石墨烯最初是在实验室中利用一种称为机械剥离的方法生产出来的，这种方法是用胶带反复剥离一块石墨（铅笔中的材料），直到只剩下单层石墨烯为止。这种简单、低成本的技术通常被称为 “胶带法”。这种方法效果显著，目前仍在实验室中使用，因为 “这种方法最快捷，而且能得到高质量的石墨烯”，这位获奖者说。

然而，随着石墨烯潜在应用领域的扩大，人们需要一种更可扩展的方法。最有希望扩大石墨烯生产规模的方法是化学气相沉积法。该工艺是将含碳气体流过一个加热表面（通常是金属催化剂）。气体中的碳原子分解并沉淀在表面上，形成一层石墨烯。这种技术可进行大规模生产，并可利用各种碳原料，因此灵活高效。

诺沃肖洛夫说，这种工艺的妙处在于，你可以利用几乎任何碳源，包括温室气体排放。换句话说，你可以阻止碳进入大气层，并将其用于有用的用途。具体来说，诺沃肖洛夫对甲烷燃烧很感兴趣。

甲烷燃烧器用于油气精炼厂和石化厂，以燃烧掉多余的甲烷和其他废气，而不是将其释放到大气中。它们是甲烷排放的直接来源。由于甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体，直接从源头捕获甲烷是我们气候工作的重要组成部分。

“在这里，我们拥有生产石墨烯所需的一切：高温和甲烷形式的碳供应。因此，我们基本上可以利用热量并将其转化为石墨烯”。这位获奖者继续说道：”还有更好的办法。”因为我们清楚地知道我们生产了多少石墨烯，所以我们可以在区块链的分类账上进行登记，然后申请碳信用抵消。因此，我们并没有排放温室气体，而是将其转化为石墨烯，我们实际上因此获得了报酬。这是一项相当严肃的业务。

唯一的问题是，如果将这种方法推广开来，最终会产生过多的石墨烯；不过，诺沃肖洛夫在混凝土行业也找到了解决办法。

如果混凝土是一个国家，那么它将是世界上最大的温室气体制造者之一。混凝土的生产，尤其是作为关键粘合剂的水泥，会释放出大量的二氧化碳（约占全球二氧化碳排放量的 8%）。减少混凝土的碳足迹是我们应对气候变化的另一个关键方面。

通过在混凝土中添加石墨烯，研究人员发现他们可以将混凝土的强度提高 50%，从而减少所需的水泥用量，进而降低全球污染最严重行业之一的二氧化碳排放量。因此，既能防止碳排放到大气中，又能将其用于减少排放的材料中。

图片来源：Our World In Data / CC BY 4.0我们的数据世界 / CC BY 4.0。

生活在材料世界

诺沃肖洛夫还对历史上以主要材料命名时代的做法进行了反思，如石器时代、青铜时代和铁器时代。这一切都说明了材料对人类进步的影响有多大。

获奖者提到，目前，我们有了奢侈的选择。我们第一次有了多种选择来命名我们当前的时代，比如硅时代、核时代或数字时代，这取决于我们强调哪种材料或技术。不过，他建议我们在根据单一材料给我们的时代贴标签时要谨慎，因为这样做会限制我们对材料科学的多样性和不断发展的本质的认识。

相反，他鼓励更广泛、更大胆地思考。我们不应局限于一种或几种定义材料，而应要求更多。

“你不想成为那几种材料的奴隶。你想按需创造一些新材料。如果工程师想创造一种新设备，通常，工程师需要检查硅能做什么，然后在这些限制范围内工作。理想情况下，你不需要这些限制。你想自由地创造一些新想法，然后围绕这些想法设计一种材料。而这是有可能实现的。

他举例说，石墨烯和其他二维材料已经开始重塑各行各业。尽管我们仍处于此类技术的早期阶段，仍在学习如何利用其全部潜力，但石墨烯从发现到实际应用的速度令人瞩目；其他二维材料也指日可待。

看来，石墨烯不仅即将到来，而且已经到来，其影响才刚刚开始显现。