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石墨烯:从象牙塔走向烟火人间

谈及石墨烯,似乎是近几年突然闯入人们生活中的新概念,“挺高端”、“离的远”、“弄不懂”是它的固有标签,“石墨烯有什么产品”、“石墨烯有什么特性”是人们不断的追问。人们无法想象一个二维材料在我们这个三维世界里究竟有什么用处,认为石墨烯可能只适合存在于“象牙塔”里。

大众对石墨烯的误解是可以理解的,翻及社会众多评论和期刊,大多提到发现石墨烯的时间是2004年。实际上,早在40多年前,石墨烯的研究就已开始,人们对它的历史并不清晰。此外,2010年的诺内尔奖将石墨烯推上“神坛”,开启了石墨烯的商业化路程,石墨烯应用的重要性及巨大潜力仍处于探索阶段。

石墨烯这一术语首次出现在1987年,Mouras等人用以描述石墨组成部分中的单层薄膜。在此之前,石墨烯的历史可以追溯到1960年,Ubbelohde和Lewis分离出石墨的单原子层,得出了比原始石墨具有更高基底面电导率的石墨层间化合物,并指出石墨是层状结构的,每层由无数个碳原子组成的正六边形构成。1961年,Hanns-peter Boehm和他同事分离并区分了单层石墨烯膜。此后,下一个里程碑则是1994年Hanns-peter Boehm在编撰国际理论和应用化学联合会报告中正式提出了对石墨烯的定义。根据最新定义,“石墨烯是碳原子组成的二维单层膜,是石墨材料的基本构建”。此后至21世纪初,关于石墨烯的研究多集中于制备方式领域,并在与石墨烯相关的许多研究方面有了众多发现。

2004年,迎来了石墨烯研究的黄金年,也可以说是石墨烯从“象牙塔”走向“烟火人间”的起始年。这一年,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫采用机械剥离法成功制备出了高质量的石墨烯,二位博士又因在石墨烯领域的贡献而获得了2010年的诺贝尔物理学讲。可以说,在2004年之前,石墨烯只是在理论上吸引科学家们的兴趣;在2004年之后,石墨烯的研发热度从单纯的学术研究拓展到工业领域,在全世界掀起了石墨烯研究热潮。

2009年,石墨烯成功走出商业化第一步。10月,IBM用石墨烯开发出超高速光电探测器;11月,三星、富士通开始从事石墨烯的研究;12月Angstron Materials获150万美元用于开发纳米石墨烯晶片。在意识到石墨烯应用的重要性及巨大潜力后,瑞典、英国、韩国、欧盟、美国等政府在2011年开始投资石墨烯的研究,使得石墨烯技术在商业化领域的发展势头更加强劲,在电子、光电、医疗、电能储存、热管理等领域获得众多突破。

在良好的政策、经济、技术和社会环境的推动下,石墨烯产业化的发展迈入实用产品阶段。目前,整个产业链中,石墨烯材料制备等上游技术已趋成熟,下游环节还未打通,存在样品→产品→商品转化不畅的问题,但这只是时间问题。迅速增多的创业型公司开始积极推动石墨烯的商业化应用,研究资金也开始以商业化投资形式出现,当下正是推进石墨烯产业发展的最佳时期。

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