石墨烯：無限可能的神奇材料

●它的厚度僅為頭髮絲的20萬分之一，強度是鋼的200倍，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料。

●它集眾多優異性能於一身，被譽為料材世界的「奇葩」。

●它的誕生正引發一場新的產業革命，在軍事領域具有廣闊的應用前景。

專家小傳：王群，國防科技大學軍事高科技培訓學院國家安全與軍事戰略研究中心教授，全軍優秀教師，軍隊院校育才獎金獎獲得者。承擔和參與多項國家自然科學基金重點項目等課題研究，主編或參編教材（專著）10多部，發表學術論文190多篇，其中30餘篇被SCI和EI收錄，獲年中國高校自然科學二等獎1項。

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長期以來，石墨烯一直被認為是一種假設性的結構，無法單獨存在。2004年，英國曼徹斯特大學俄裔物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫，通過特殊方法從石墨中剝離石墨片，成功製備出僅由一層碳原子構成的石墨烯片，從此世界上誕生了一種擁有「無數世界之最」的神奇材料。這一突破性成果，不僅證實了石墨烯可以單獨存在，而且破除了其無法成功製備（製造）的「定論」。

2010年10月5日，瑞典皇家科學院將本年度諾貝爾物理學獎，頒給了取得這驚人成果的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫。

石墨烯在帶給兩位科學家榮譽的同時，迅速在世界上掀起一股石墨烯的研究熱潮，並不斷取得新的研究成果。科學家研究證實，石墨烯是目前世界上已知的強度最高、厚度最薄、和質量最輕的材料，石墨烯片材可用於超輕質飛機、紅外導引頭、激光武器、光電探測裝備、超輕便防彈衣等研發應用，甚至可用於保護航天器免遭空間碎片的破壞，在軍事航天、軍用能源、軍用發動機以及核武器開發、海水淡化、裝甲防護、極高頻衛星通信系統及柔性顯示等方面具有廣闊的應用前景。

實驗室里走出的「多面嬌娃」

石墨烯雖然一度被科學家認為不可能在有限溫度下單獨穩定存在，然而它的誕生就像是「捅破一層窗戶紙」――實驗室里，科學家通過一種簡單易行的機械剝離法，從石墨表面剝離出石墨片，然後把石墨片兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶將其一分為二，如此重複操作，就使石墨片變得越來越薄，直到最後「撕」成由一層碳原子構成的薄片，石墨烯就這樣誕生了。真是「踏破鐵鞋無覓處，得來全不費功夫。」

由於石墨烯是由一層碳原子構成，因此它又被稱為單層石墨，其原子排列與石墨的單原子層相同，是一個按六邊形蜂巢結構排列形成的二維平面晶體。從廣義上來說，有時層數小於10層的石墨也可稱為石墨烯。

石墨烯如同是一個「多面嬌娃」，具有一般材料所不具備的眾多優異性能，它佔據著太多的材料世界「之最」。

它的理論厚度只有0.34納米，僅為頭髮絲的20萬分之一，是目前世界上最薄的材料；1毫米的石墨薄片，居然能剝離出多達300萬片石墨烯，1克石墨烯可以覆蓋一個足球場，它是目前世界上最輕便的材料；它的強度為優質鋼的200倍、鑽石的2倍，毫無疑問，它是目前世界上強度最優的材料，如果把一片像食品保鮮膜一樣的石墨烯覆蓋在一隻杯子上，想用一支鉛筆戳穿它，需要一頭大象的重量壓在鉛筆上。

在石墨烯內，碳原子就像細鐵絲網圍欄一樣排列，其對可見光的吸收只有2.3%，近乎是透明的。這種結構也使得它十分柔韌，即便大角度彎曲也不會斷裂，因此它是最柔韌的材料。

此外，它還具有電阻率最低、熱導率最高、吸附性很好、過濾性很強等其它材料望塵莫及的優越性能。

正是因為石墨烯擁有非同一般的神奇特性，科學家預言它將徹底改變21世紀，有望掀起現代電子科技領域一場新的革命。

「石墨烯+」引發產業變革

這種用膠帶「撕」出來的小小的石墨烯，在帶給兩位科學家諾貝爾獎榮譽的同時，迅速在世界上激起了巨大波瀾，引發了全球的研發熱潮，近年來在許多領域催發出突破性的進展，很多神奇特性不斷被發現，作用機理不斷被破解，應用潛力不斷被挖掘，由此引發了一場「石墨烯+」的產業變革。

石墨烯誕生於石墨，儲量豐富、價格低廉，它獨特的二維晶體結構和諸多物理、化學、生物學等特性，使它迅速呈現出廣闊的應用前景，其研發成果已開始進入人們的生活。

科研人員運用石墨烯的超大比表面積和優越導電特性，多種基於石墨烯的儲能設備已相繼問世，突破了現有電池容量小、充電時間長的瓶頸。2011年11月，美國西北大學的研究團隊研發出一種採用石墨烯和硅材質的電動汽車電池，充電量比以前增加了十倍，充電15分鐘可以實現約一周的續航能力。

2014年2月，我國中科院金屬所研發出一種石墨烯鋰硫電池，儲電能力達到目前鋰電池18倍以上，與目前電動汽車的電池相比，電池重量下降90%以上，一次充電不超過10分鐘，巡航里程超過450公里，每公里成本下降4/5，電池壽命超過30年。這些新型電池不僅在民用領域大有作為，在各種軍用設備特別是無人飛機、單兵攜帶電源等方面發揮重要作用。

石墨烯超薄、超輕、超強、超韌性、超過濾性和超透光性等特點，是研製輕型戰機、航天器、激光武器、核武器和維護保障等裝備的重要材料，也可用於防彈衣、裝甲車輛、防禦工事等新型高性能軍事裝備，在減輕重量的同時提高其防護能力。

伴隨石墨烯衍生技術的迅猛發展，由其製造出的超高頻率晶體管以及柔性觸摸屏正方興未艾。前者可用於支撐起更加安全隱蔽的極高頻軍用衛星通信系統，後者則是能夠像衣服一樣柔軟地穿戴在身上。這種以前在科幻片中看到的場景，今後很可能成為現實。

未來依舊任重道遠

石墨烯問世以來，其理論研究與應用開發不斷取得進展，下游應用領域巨大的行業需求更為整個石墨烯產業鏈提供了充足的發展空間。

然而，石墨烯與其它新生事物一樣，其技術研發和產業化也不可能一帆風順。儘管目前一部分技術要求較低的石墨烯產品相繼問世，但受限於製備技術與工藝，那些依賴於高純度石墨烯的產品，可能需要幾年甚至數十年才能開發出來。因為，這一「神奇」材料仍有許多未能克服的技術困難，比如石墨烯的規模化製備、大尺寸石墨烯的工藝創新、石墨烯的化學改性或改良、石墨烯複合材料的加工等等。正如石墨烯的發現者所言，石墨烯「前途是光明的、道路是曲折的」。只有人類共同努力，積極克服所有這些困難和障礙，石墨烯的很多應用才能夢想成真，才能發揮出更大的潛能，從而真正成為改變世界的一種「萬能」材料，並對國防和軍事產生革命性的影響。

令人欣喜的是，目前，美國加州理工學院科研人員開發出一種在室溫下製備石墨烯的全新技術，中國科學家也發明了一種石墨烯的快速製備方法，使石墨烯的商業化進程向前邁出了堅實一步。