顛覆硅時代：石墨烯究竟是何方神圣？

　　石墨烯——一種只有一個原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性：石墨烯導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好，看起來頗有未來神奇材料的風(fēng)范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護(hù)涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等——那簡直是改變世界的發(fā)明。連2010年諾貝爾物理學(xué)獎都授予了它呢！

　　但它誕生至今都十年了，我的透明手機(jī)在哪呢？

　　其實(shí)就在2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來，兩年來的發(fā)展也基本證明了他們的預(yù)測。他認(rèn)為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個重大困難之前，這一場景還不會到來。更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景，或許在于為它的獨(dú)到特性量身定做的全新應(yīng)用場合。

　　石墨烯到底是什么？

　　石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

　　由于碳原子之間化學(xué)鍵的特性，石墨烯很頑強(qiáng)：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因?yàn)橹挥幸粚釉�子，電子的運(yùn)動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。石墨烯在可見光下透明，但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。

　　但是適合歸適合，真的做出來還沒那么快。

　　問題之一：制備方式

　　許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費(fèi)時費(fèi)力費(fèi)錢的手段：機(jī)械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來。

　　別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

　　雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是成功率更低，弄點(diǎn)兒樣品做研究還可以，工業(yè)化生產(chǎn)？開玩笑。要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片……

　　當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本——麻煩是這些辦法的產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒有真的能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術(shù)。

　　這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點(diǎn)上生長出來的一片。它其實(shí)是多個點(diǎn)同時生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點(diǎn)長出來的小片都能完整對齊。

　　于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點(diǎn)不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個石墨烯的強(qiáng)度要減半。材料是個麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。