了解石墨烯

简而言之，石墨烯是一种碳原子薄层；它是以六边形蜂窝晶格形式结合在一起的紧密堆积的单层碳原子层。 用较复杂的术语表述，它是分子键长度为0.142纳米的sp2键合原子平面结构形式的碳的同素异形体。 石墨烯层彼此堆叠形成石墨，晶面间距为0.335纳米。

石墨烯仅有一个原子厚度，是人类已知的最薄化物质，已知最轻的材料（1平方米大约为0.77毫克），发现的最坚固化合物（比钢坚固100-300倍，拉伸刚度为1.5亿psi），室温下最好的导热体（在（4.84±0.44） ×10 ^ 3至（5.30±0.48） ×10 ^ 3 W·m-1·K-1）和最佳电导体（研究显示电子迁移率大于15,000cm2·V-1·s-1）。 石墨烯的其他显著特性包括其独特的光吸收（πα≈2.3％的白光），以及在自旋传输中的潜在适用性。

值得一提的是，碳是人体内质量第二多的元素，也是宇宙中第四大元素（以质量计），排在氢、氦和氧之后。 这使得碳成为地球上所有已知生命的化学基础，因此石墨烯有巨大潜力可成为众多问题的可持续的生态友好解决方案。 自石墨烯被发现（或更准确地说，机械方式获得）以来，不同科学学科已取得爆发式突破，尤其在电子和生物技术方面进步巨大。

生产石墨烯的挑战

阻碍石墨烯有关商业用途开发研究的问题在于，制造高品质石墨烯是一种非常昂贵和复杂的过程（化学蒸气处置），具体涉及将铂、镍或碳化钛在高温下暴露于乙烯或苯等毒化学物质中来生长单层石墨烯。 同时，在之前，在除金属外的其他任何基底上使用结晶外延大规模生长石墨烯层基本难以实现。 这严重限制了石墨烯在电子领域的应用，因为之前很难将石墨烯层与其金属基底分开而不损坏石墨烯。

而2012年的研究发现，对石墨烯界面粘附能的进行分析，科学家发现有效地分离石墨烯与金属基底是可能的，理论上也可无限次地使用该金属板，从而减少了以前由此过程产生的有毒废物。 此外，通过该方法分离的石墨烯的质量也足够高，足以成功地制造分子电子器件。

尽管这项研究备受重视，但是生长的石墨烯的质量仍然是技术应用的限制因素。 一旦能够在低温下使用化学气相沉积在非常薄的金属或其他任意表面（几十纳米厚）上生长石墨烯，然后以一种能控制诸如波纹、掺杂水平和相区尺寸等的方式分离石墨烯，同时还能控制石墨烯层的数量和相对晶体取向，那么我们将开始看到，随着生产技术变得更加简化和具有成本效益，石墨烯将得到更广泛的应用。

潜在应用

利用石墨烯制造超级电容器可能是长期以来电子工程领域的一次最大进展。尽管在过去20年来电子元件一直高速发展。但由于尺寸、功率容量和效率等问题，电池和电容等电力存储解决方案成为一大主要限制因素（大多数类型的电池非常低效，电容器甚至更低）。 例如，目前可用锂离子电池的发展，在能量密度和功率密度之间很难形成平衡；在这种情况下，其本质上会造成为了提高其中一个而不得不牺牲另一个。

相关初步测试表明，激光刻蚀石墨烯（LSG）制备的超级电容器（石墨烯是已知性能最高的电子导电材料，每米为1738西门子（相比之下活性炭为100 SI / m）），其功率密度能够与目前使用的大功率锂离子电池相提并论。 不仅如此，LSG超级电容器还具有高度柔韧性、轻便、充电快速、薄型化特点，而其生产成本相当便宜。

石墨烯还被用来提升电池的容量和充电率，同时还可以延长电池寿命。 目前，硅氧树脂等材料虽然能够储存大量的能量，但是每次充电或再充电时，其存储容量会大幅减少。 而使用例如石墨烯－氧化锡作为锂离子电池中的阳极，电池充电一次可以持续更长时间（潜在容量增加10倍），同时各次充电之间几乎没有存储容量减少，这使得诸如电动车辆等技术在未来成为更加可行的运输解决方案。 这也意味着可以开发比以前持续时间更长和容量更高的电池（或电容器）。 此外，电子设备也可以在几秒钟内而不是几分钟或几小时内充电，同时拥有极大改善的使用寿命。

消费者已经可以购买某些能在家中使用的石墨烯增强产品。 一家公司已经生产并在市场上提供导电油墨（最初由剑桥大学研究人员于2011年开发）。 这种产品通过将微小的石墨烯薄片与墨水混合制造而成，让您能够将电极直接打印到纸上。 以前虽然可以通过使用有机半导体油墨实现，但石墨烯薄片可使印刷材料具有更好导电性，因而更有效。

石墨烯的另一种用途是油漆。 石墨烯具有很高的惰性，可以作为氧和水分扩散之间的腐蚀抑制层。在未来制造车辆时，可以让石墨烯在任何金属表面上生长（给定合适的条件），增加耐腐蚀性。 由于其强度，目前石墨烯正在进行开发研究，用作凯夫拉防护服装的潜在替代品，而最终将用于车辆制造中，甚至可能被用作建筑材料。

石墨烯已被证明拥有比硅更高效率的电子传导性能，并且还能够以更快的速度传输电子（相对而言，每秒1000公里，比硅快30倍）。在未来几年中，您将开始看到来自消费电子公司的产品，例如三星（已经投入资金研究石墨烯在电信和电子领域的应用，并申请了大量关于石墨烯使用和制造的专利）基于灵活、坚固、触摸屏的设备，如移动智能手机和手表。

这意味着制造出可折叠的电视和电话，电子卷曲报纸等等。 由于石墨烯的高度透明性，在未来几年，您还可期待能够为智能（且非常坚固）窗户，具有（可能）虚拟窗帘或显示您选择的投影图像。

结合上述的一些潜在应用，您能想像一下和车辆喷漆相了连接的汽车安全系统吗？ 如果有人触碰您的车辆，您的汽车报警器不仅能够告诉您，还可以通过智能手机实时记录信息并发送给您，同时还可用于车辆事故分析，确定初始接触点和产生的相应能量扩散等。

很快，我们将开始看到含有石墨烯的增强型光伏电池和超级电容器的服装，这意味着我们将能够在上学或上班的路上花费几分钟（甚至几秒钟）为移动电话和平板电脑进行充电。 我们甚至可能会看到以安全为导向的服装，利用放电来防止不需要的接触。

游戏改变者

所有这一切意味着，这个由曼彻斯特一个实验室的物理学教授和他的博士生利用石墨和一些苏格兰胶带做出的发现彻底改变了科学家、工程师和发明者们，看待的我们潜在能力界限的方式。 我们目前所拥有的材料，知识和能够去实现的可能的目标，已经接近极限。现在可以设想出一些更为惊人的前景，例如闪电般快速而超小型的电脑、隐形斗篷、充电可持续数周的智能手机和计算机，同时我们又可以随时随地将其折叠并放入口袋中以便携带。