石墨烯作為一種納米材料經常出現在新聞裡，它被媒體鼓吹為“新材料之王”，這是言過其實？還是確有其事？
看上去，這種“新材料”與我們的距離非常遙遠。而實際上，它早已出現在生活之中，只是沒被察覺罷了。比如石墨烯口罩已經面世，而且其防霧霾效果遠遠優於市面上的口罩。
本期講者於慶凱將撥開繁雜的信息與新聞，還原石墨烯本來的面目。
造就第387位講者 於慶凱
- 材料科學家
- 中科院上海微系統與信息技術所
今天我要講的一種材料叫石墨烯，它是一種納米材料，很小。它有很多優異的性能，那麼一個材料優質的性能從哪裡來?大家想過這個問題嗎?
第一，從它是什麼元素，第二，這些元素是怎麼排列的。
同樣是碳，為什麼鑽石、石墨、二氧化碳的價值差距這麼大？
比如鑽石和石墨兩種材料，他們都是由碳構成的，但是這種兩種材料在我們日常生活中價值似乎完全不同。
鑽石顏值很高，價格很貴，它透明、堅硬、絕緣。相反，石墨是什麼？它是黑色的、 鬆軟的、導電的，兩種材料完全相反，然而它們都是實實在在由碳組成的材料。
如果我說這位女士你帶的0.2克的這塊碳是從哪裡買的？你肯定感到不高興，“我這是鑽石”。
然而這些鑽石也好，石墨也好，和我們呼出的二氧化碳裡面的碳都是一樣的。好比說，今天你大概呼出了2000多克拉的碳，那麼你就覺得這個呼吸好值錢。
結構不一樣造成了性質的不一樣，我們可以看到，在圖中鑽石是一個三維結構，而石墨在二維層面有一個很強的化學鍵連接，在層和層之間是一種很弱的化學鍵，叫範德華力[1]的連接，這就造成了它們性質的巨大的不同。
我們今天要談的是個納米碳材料，那我們就看看在納米的結構裡面，材料的結構對材料的性質究竟會造成什麼樣的影響。
為什麼〇維碳獲得了諾獎，而一維碳卻失之交臂？
第一，〇維碳，也叫碳60。我們看到它是籠子狀的結構，它是一種五邊形和六邊形拼湊起來的，跟足球非常像，所以它有一個另外的名字叫“足球烯”。
如果我們在足球的每一個拼湊的鍵點上放一個原子，我們就完全相同地製造了一個碳60的這樣的一個分子結構。
這個分子是在1986年被兩位美國科學家和一位英國科學家發現的，並由此獲得諾貝爾化學獎。富勒烯[2]的發現加深了我們對宇宙中含碳分子的認識、碳的演化的認識，以及對芳香族[3]物質的理解。
一維碳材料——碳納米管，我們可以看到它是一個管子狀的結構，它的直徑大約在一納米上下。這個材料是由日本NEC的科學家飯島澄男發現的。
1991年，當時由於透射電鏡的技術的發展，他可以很清楚地看到這樣的一個管式結構。這個碳管在我們做納米材料的領域中非常重要，因為他使納米材料進入了普通人的視野，而他在科學界也掀起了納米材料的高潮。
納米管有很多奇異的性質，我們似乎覺得碳60獲了諾獎，碳管是不是也應該獲得諾獎呢？但他並沒有，當然諾獎的委員會有不同的考慮，但是有一個原因可能讓大家對它有點憂慮。
飯島澄男發現了碳管的時候，有許多人跳出來說，我早就發現了，我冤枉。也有好多團隊這樣跳出來，最著名的應該是前蘇聯的科學家，在1952年的時候他們就看見了納米碳管的影子。
但由於當時他們是用俄語寫的論文，不能被世界其他地方人讀到，而且當時的蘇聯跟其他國家的交往也沒有那麼多，他們就錯過了把這個科研成果公之於眾的機會。
大家為此爭論不休的時候，科學家忽然在久遠的大馬士革鋼刀裡面發現了碳納米管，當時的這個技術已經失傳了。
大馬士革鋼刀存在於公元三世紀到十七世紀，現在我們又找回了這項技術，在那裡我們也發現了碳納米管，而且碳納米管在裡面是有一個增強和增韌的作用的。
大馬士革刀非常鋒利，我找到的英文資料是這樣形容它的，一根頭髮落在大馬士革鋼刀上面會被削成兩半，如果用大馬士革鋼刀去削一個步槍的槍管可以把它削斷。這跟我們中文形容刀快不是一樣的嗎？吹毛斷髮，削鐵如泥。
碳納米管為什麼會出現在大馬士革鋼刀裡面呢？這個並不難理解，是因為我們在鍊鐵鍊鋼的過程中有碳的存在，它就提供了碳源，同時有鐵的存在，鐵是一種催化劑，在今天講碳管的時候，還要大量地使用鐵。
所以那個時候，在一定的工藝條件下生產出的大馬士革鋼刀裡面有碳納米管就不奇怪了。
用透明膠帶分離出石墨烯
下面進入我們的主題二維材料，一提到二維，我相信有很多大劉（劉慈欣）的粉絲想到三體裡面講的二向箔，是一個維度打擊武器，可以讓一個三維世界在上面坍塌，有無窮的力量。
我們欽佩大劉的豐富的想象力。但是我們也知道，想象力一定是基於一些現實的基礎，好比說我們想到了一個長著翅膀、會飛的熊，是因為我們見過一隻熊和翅膀，我們把它放在一起就出現了新的創意。
我也在想，大劉是不是受到了二維材料石墨烯的啟示，想到這樣一種結構。石墨烯的結構就是一個單層的石墨，石墨我們大家非常熟悉，然而這個石墨烯是不是也像石墨那麼普通？
實際上不是的，石墨烯從石墨裡面是分離出來的，我們承認這一點。然而石墨烯給我們打開了一個廣闊的視野，告訴我們材料可以是以二維形式存在的。
作為一個材料科學家，我們受過的教育一直是二維材料這樣一層原子組成的結構，在熱力學上是不穩定的，它會坍塌。就彷彿說有一張紙有兩個足球場那麼大，它自己無法支撐自己，除非放在什麼上面才行。
2014年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家Dr. Geim和Novoselov，他們兩個人在石墨裡面分離出了石墨烯，給我們開闊了一個新的視野，以此為發端，至今為止，我們找到了上千種二維材料。
我們看看二維材料最早是被用一個多麼意想不到的方法分離的。
他們拿了一個膠帶，然後拿一塊石墨這樣反覆粘。因為它是層狀結構，一層一層被分開，最終會找到一些單層的結構，然後把它轉移到一個基底上面去，就可以研究它了。
“黑金”石墨烯有多強？
1.力學性質
石墨烯的力學性質非常之強，它的力學拉伸強度達到130GPa，相當於鋼鐵的一百倍。理論計算得到，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達到一毫米，它都能夠撐起一隻大象的重量。它這麼強的力學性能從何而來？就像我們開始講的——結構決定了性質。
它是一個二維結構，碳和碳之間的鏈非常之強。在每一個碳周圍有三個鄰居，這三個鄰居形成的碳的鍵非常短，非常強，支撐了石墨烯的高強的力學性質。
2.電學性質
它的電學性質很值得一提，它的電子遷移率可以達到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。
什麼是電子遷移率呢？就是說電子在這種材料裡可以跑得多快。一個材料的導電性由兩件事情決定，一個是電子在裡面跑多快，第二是有多少電子在裡面跑。
大家可以想象一下高速公路，這條公路上限速是多少，車可以跑多快，以有多少車在上面跑決定了這條高速公路的運力。所以我們在電子器件製造中，很多的時候我們希望有一個高運力，這樣的話能加速器件的運算速度。
第二，它的電流密度的承受能力非常之大。好比說我們有一個常用的導線，比如說金屬線銅線，我們通電流，如果電壓增加，電流增加到一定程度，電流會把銅絲燒斷。
但是石墨烯抗燒斷的能力非常之高，它可以達到銅的100萬倍！如果我們用石墨烯做導線的話可以大大降低導線的重量。而且最近的一個新發現，在雙層石墨烯裡面，如果轉動一個角度，它會有一些超導現象出現。
但在電學性能中它有一項不足，就是它的零能帶隙，能帶[4]是關係到一個半導體的存在的。如果這個能帶合適，這就是個好的半導體。由於石墨烯是零能帶，它就不是半導體，它是個金屬性質，那麼做電子器件還是有一定的困難。科學家們正在克服這些零能帶造成的問題。
3.緻密與大比表面積
它石墨烯是一個很緻密的材料，由於它的鍵很短，就是原子和原子之間的距離很近，只有0.142nm。也就是說，包括氫氣、氦氣這麼小的分子、原子都沒有辦法穿過它。它是一種很好的阻隔材料，比表面積可以達到2630m2/g，就是說它的面積非常大。
我們看中間這張圖，就是用石墨烯組成了一個泡沫狀的結構，它可以自己把自己支撐起來，但非常非常的輕。我們把它放在一個狗尾草上面，狗尾草看上去沒有任何的結構上的變化。
我們可以用這些石墨烯來做一些過濾的材料，在上面開一些我們能控制尺寸的小洞，就可以分離不同的氣體或者是液體。比如海水裡面的鹽的分離，空氣中的氧氣跟氮氣的分離。
4.光和熱的性質
石墨烯的光的性質，因為只有一種碳源，只有一層碳原子，它的透光率可以達到97.7%，也就是說一層碳原子可以吸收2.3%的光。
這個是大還是小呢？實際上是一個很強的光吸收，大約50層石墨烯我們就可以把光完全吸收。這對於其他材料來說很難。但石墨烯可以，我們只用它其中的一層就夠了，這就使得它有很多可用的地方。
石墨烯的導熱性質非常好，目前有兩種主要的導熱方式。一種叫電子導熱，就是一個材料如果它導電非常好的話，它的導熱往往也很好，比如說銅和鋁。
但是還有一種材料，它的導熱是不需要寄託於導電上的，它是靠聲子導熱的，就是說聲波的傳播速度，在石墨烯中聲波的傳播速度可以達到22km/s，所以它具有非常好的導熱效果。
如何合成石墨烯？
石墨烯的合成有兩種形態，一種是長成石墨烯大面積的薄膜，碳在上面組成一個薄膜，原材料往往是一種碳氫氣體，比如說甲烷。
這張圖裡面可以看到，中間有一個藍顏色的代表一個碳原子，四周紅顏色的代表氫原子，一個碳帶四個氫。它落到了一個表面上以後，由於催化作用它會分解，這些氫氣就走掉了，留下碳在上面重組，就構成了這樣一個石墨烯結構。
我們把它放到一個爐子裡面，在高溫條件下可以做成小單片，也可以通過卷對卷的方式長成大的石墨烯薄膜。
還有一種非常有用的石墨烯材料叫石墨烯粉體。既然石墨烯是石墨中的某一層，我們怎麼把它單拿出來呢？
我們把石墨粉作為原材料，然後通過氧化石墨粉，或者是插層石墨粉，把層和層之間插進其他的物質，然後把它們分開，這樣就得到了石墨烯的粉體。
但是這個過程有一點問題，在插層和氧化的過程中會造成大量的缺陷，石墨烯的某些性質就會下降。
在實驗室我們做成了這樣一種東西，通過化學氣相沉積的方法，在高溫下銅的溶液中通入甲烷氣體，它就在這個裡面形成了氣泡，然後在銅的表面形成石墨烯。在這些氣泡上升的過程中攜帶著這些石墨烯飛出來，然後氣泡破掉，我們就收集到了石墨烯。
石墨烯到底是不是“新材料之王”？
1.水處理
由於石墨烯可以做到高疏水性，就是我們在中間圖所看的，一滴水流在上面完全變成了水珠。
左邊是用這種性質做成了一個水處理的機器，它可以把水、油及固體懸浮物三項分開。
在我們最左邊的這幅圖裡面是一個水、油、懸浮物混合的溶液，然後它進入這個機器以後分出來的中間的是純水或者處理後的比較乾淨的水，右邊橘色的是油，另一個管道出現的是固態顆粒。右邊我們看到它可以做成一個整機，就可以真正地去處理水了。
2.重防腐
橋樑工程也好，海洋工程也好，防腐是一個很重要的事情。石墨烯的防腐塗料是一種很好的重防腐的一個材料，因為它在裡面構建出了一個複雜的迷宮結構。那些腐蝕性的離子想透過迷宮結構要走的路更久，所以它腐蝕經歷的時間也就越長。
3.吸附
我們知道霧霾是個大問題，它對我們的健康產生很大的影響。現在最好的防霧霾的口罩，除了石墨烯的以外就是市面上的這種口罩。它是用靜電來吸引小粒子的，但是隻能保持一小時的功效，因為我們呼吸的水蒸氣在進出的過程中，靜電就被中和掉了，這樣的話它就失去了效果。
石墨烯的口罩是靠大比表面積讓氣體在裡面迂迴地走，由於大的比表面積，它會吸附那些顆粒，可以長時間使用而不失效，最長可以達到200個小時。現在這種石墨烯口罩市場上已經有賣的了。
4.生物示蹤
隨著人民生活水平的提高，對健康也會越來越關注，癌症是我們非常關注的疾病。癌症從一個癌細胞被激活到長成一個腫瘤可能只需要幾周的時間，為了治療，我們需要監控它，我們需要看見它，看見腫瘤是怎麼分裂的。
用石墨烯做的示蹤原子非常好，我們看左邊這個圖，用石墨烯看到的癌細胞是綠的，它不染色這個正常的細胞，我們就看到癌細胞是怎麼變化的。
我們可以看到視頻中的癌細胞是怎麼分化的，這個就是實時的十秒鐘癌細胞是怎麼分裂的。這兩個細胞它們在一起的時候很快地就變成了四個細胞。
有很多種不同的生物示蹤的材料，但是石墨烯的好在哪裡呢？石墨烯的發光壽命非常長，普通的示蹤材料大概從兩個小時到一天它就不再發足夠強的光了，我們也就看不到那些癌細胞是怎麼演變的。
而石墨烯是一種超穩定結構，它的鍵很短，化學性質比較惰性，它可以保持兩週到一個月的示蹤長度，大大方便於我們對疾病的診斷和跟蹤。
5.紅外成像
石墨烯由於有比較均衡的紅外的吸收的譜，很少的材料才能達到這樣一個功效。中紅外和中遠紅外同時成像都可以。
我們可以看到兩張黑白的圖，這裡面一個人拿著一個電烙鐵，電烙鐵發出的光溫度很高，大概三四百度。這是一箇中紅外的波段，人體發出的是遠紅外的波段。
這種石墨烯的紅外的成像可以讓兩個波段同時呈現，也可以只讓一個波段出現，上面就是隻看電烙鐵，下面就是人和電烙鐵都看到。我們就可以同時對人和發動機做監控。
還有熱管理，熱管理在我們的實際生活中已經開始應用了，加熱的地板，加熱的服裝等等。
下面我想談一些思考，石墨烯有這麼多美妙的性質，它能不能稱作“新材料之王”呢？
我覺得為時還早。因為之所以能稱王，它必須在這個時代有掌控力、有支配力的，它必須是一個對我們的生活影響最大的材料。
在人類的歷史上實際上這種材料並不是很多，第一個是石頭，因為它命名了一個時代——石器時代，它是我們最早使用的一個工具，然後到了青銅時代，再往後就是鋼鐵，再往後塑料、硅、黃金。因為黃金奠定了各國的貨幣基礎，使大家做生意成為可能。
我想只有這些材料目前才能稱為“王”，但石墨烯目前還不能稱“王”。它未來會不會成為“王”呢？我覺得還是有可能的，這要看這個行業會發展到哪一個方向去，現在我們暫且可以把石墨烯叫“王儲”。
當下石墨烯在中國經過了一個熱潮，現在到了哪一個階段，我們看新技術的成長規律，它是一個從起始到高期待，然後往下走。
它必然要往下走，這是一個基本規律，然後到了一個低點以後開始穩步向上升，然後達到了一個平臺。那個時候才能真正進入我們的生活。
石墨烯究竟走到哪個階段，不同的人是有不同的觀點的，有的人說它正在往下走，有的人說它已經到了低谷，有人說它已經開始回升了。
我覺得石墨烯是值得我們期待的，它未來一定有很大的作為，因為石墨烯的那些性質是實實在在的；那些數據是實實在在的數據；它有著很高的力學性能、電學性能、各種化學性能在裡面。所以石墨烯的未來是一個可期的未來。
- 註釋
1.範德華力：
Van der Waals force，在化學中指分子之間非定向的、無飽和性的、較弱的相互作用力，根據荷蘭物理學家約翰內斯·范德瓦耳斯命名。範德華力是一種電性引力，但它比化學鍵或氫鍵弱得多，通常其能量小於5kJ/mol。範德華力的大小和分子的大小成正比。
2.富勒烯：
一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環，還有五元環，偶爾還有七元環。
3.芳香族：
芳香族化合物（aromatic compounds ）是一類具有苯環結構的化合物，它們結構穩定，不易分解，且毒性很強，會對環境造成嚴重的汙染，對人體危害極大。芳香族化合物均具有“芳香性”。
4.能帶：
能帶理論（Energy band theory）是用量子力學的方法研究固體內部電子運動的理論，於20世紀初期，在量子力學確立以後發展起來的一種近似理論。它曾經定性地闡明瞭晶體中電子運動的普遍特點，並進而說明了導體與絕緣體、半導體的區別所在，解釋了晶體中電子的平均自由程問題。
審校：其奇
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