综述

从人类工业、科研材料发展史中来看,石墨烯虽是晚辈,但出道晚却不代表它带给人类的惊喜会少于前辈。

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自然界最强的二维材料、超强导电性、优异的导热性、透光性这些特点无不刺激着全球研究者的神经,也让看到相关报道的我们不明觉厉,它出道虽短但已经凭借着自己出众的特点吸引了产业界的广泛关注。

石墨烯是什么

简单来说,石墨烯是碳的二维结构,由单层碳原子构成。

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通俗来说:将一个包抽纸,拆成一张张单一的纸巾,我们得到的是数量上的变化,而将石墨层层分离开,我们得到的则是质的变化,石墨烯与石墨同源同质,但型态的改变却使二者的价值变得云泥之别。

石墨烯的厚度只有0.335纳米,而它带给人类的惊喜却远不是“足够薄”这么简单。

石墨烯从问世到引领时代

对于石墨烯的研究最早可追溯到1840年,当时的一篇报道指出:石墨的层间靠范德华力结合,但此作用力较弱。

因此石墨的间层可插入小分子的酸或碱金属,制得石墨的层间复合物,也可通过特定化学物的作用使石墨的层与层发生结构剥离,由此人类开始在石墨的间层大做文章。

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1859年的一次实验中化学家使用强酸制备出结构更薄的氧化石墨。

此后的一百四十多年里,人类不断尝试让石墨层变得更薄且不失结构的稳定性,直到2004年英国曼彻斯特大学物理学家,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫采用微机械剥离法成功地分离出石墨烯,石墨烯的开场秀正式结束进入了整场表演的高潮阶段。

随着越来越深入的研究,石墨烯不断带给人类惊喜,远超钢材许多倍的强度水平、最大比表面积、高弹性、高硬度等特点不得不让人感叹一句后生可畏。

而它在储能、光电器、发热器件复合材料等领域的大放异彩甚至推动着这些领域的研究更进一步,也一次又一次向和世界证明着自己的价值。

在能源领域,石墨烯超级电池是当之无愧的救场王,在传统电池行业再难做提升的时候,石墨烯带着十五分钟放电四万次的傲人成绩让老大哥锂电池、铅酸电池,心服口服也让新能源汽车在充电和续航里程难题上再做突破。

石墨烯超级电容器以在功率特性和循环寿命上的绝对优势在高功率、高能量密度的动力储能器件研发领域完成了后起之秀的精彩表演。

在医药领域,通过研究石墨烯的结构性质证明它是很好的药物载体,在水中良好的分散性和表面积大的特点,使其在困扰人类多年,但从未放弃研究的肿瘤药物研发及运用中大放异彩。

除此之外它在近红外光区具有的出色光热转换能力让其在肿瘤的光热治疗中发挥着不可替代的作用。

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在航空航天领域,超高热导率让石墨烯成为航天用高导热骨架材料的不二之选;热管理系统离不开它;石墨烯在航空航天的器的散热系统中也是当之无愧的新贵大佬。

上天入地,跨火海踏刀山,治病愈人,它带给人类的惊喜层出不穷,在各领域内的优异表现让它当之无愧的被冠以超级材料、黑金等荣誉称号,甚至被科学家给予给世界带来变革的厚望,因此石墨烯的时代即便还未到,但已经在路上。

中国在这场超级材料竞赛中的领先地位

中国对石墨烯领域的涉足较晚,但从2010年后到现在的十一年我们片刻不敢停歇终于取得许多骄人成果。

在基础科研方面,世界上有关石墨烯的研究论文中,中国发表的论文数占比接近半数数量排名世界第一,以一国之力为世界石墨烯研究做着不可替代的贡献。

在世界有关石墨烯的专利研发方面中国专利同样接近半数,从学术到应用,中国都在一步一步向着世界顶尖迈进,不断为人类做出贡献。

在产业化方面,低端产业中对于应用到石墨烯的产品已经可以达到量产,石墨烯薄膜和粉体的大规模生产正体现了我国对于石墨烯产业化步伐的推进成果,而成体系的石墨烯生产系统正是我国研究石墨烯的基本保障,而部分研究院所和龙头企业也正在逐渐成熟逐步壮大成为我国石墨烯产业的开路先锋代表着行业高端科研生产力。

石墨烯规模化制备技术的成熟,国际上最高转化效率的石墨烯半导体异质结构太阳能电池专利、处于国际领先地位的石墨烯功能涂层应用技术,如此种种的成就我们还有许多,它们无一不展现着中国在石墨烯相关科研及应用领域势必要取得成就的决心。

中国从不缺少奋起直追的勇气和坚定的意志,在石墨烯应用能量储存与转换领域,中国属后起之秀但已然处于国际领先地位,中国制造生产的“烯王”作为世界首款石墨烯基锂离子电池给遇到了瓶颈的能源界带来了新的希望。

提到中国在石墨烯领域的科研成果就不得不提石墨烯芯片的存在,芯片在21世纪的世界代表着科技命脉。

大国间的较量便是科技间的竞赛比拼,科技的命脉只有掌握到自己手里日后的发展才会有希望,各国在芯片研发领域的明争暗斗从未停止,谁掌握了更高端的芯片技术,那么谁就能拥有更多的国际话语权和筹码在手中。

在以往的硅基芯片时代我国的芯片始终落后于人,但石墨烯的出现成给了我国打破僵局的希望。

在曹原解决石墨烯超导问题后,石墨烯成为我国绕开光刻机限制研制芯片的“唯一出路”,为此我国也确实取得了领先世界的成绩,8英寸石墨烯单晶晶圆的问世,让我国在石墨烯芯片研发领域中做到了世界顶尖。

结语

大变革的时代宠幸的永远是愿意撸起袖子加油干的务实者,石墨烯带给世界的惊喜是益于每一个人的,但不是每一个人都能抓住机会。

中国已然抓住机会并脱颖而出,剩下的目标便是像追赶差距时一样一刻不懈怠的将优势不断扩大,吾辈应当如此也必当如此。