石墨烯被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)的“神奇材料”，它的起源并不引人注目。這種二維材料最早于2004年問世，當(dāng)時(shí)曼徹斯特大學(xué)(UniversityofManchester)的兩位教授使用透明膠帶從一塊石墨上剝下石墨烯薄片。

這種材料是碳的結(jié)晶同素異形體，與鉆石和石墨具有相同的特性。簡(jiǎn)單地說，這三個(gè)碳原子都是由碳原子以不同的方式結(jié)合在一起構(gòu)成的。例如，石墨由六角形晶格中的碳原子結(jié)合而成，而石墨烯則由單片石墨構(gòu)成。

當(dāng)然，僅僅知道石墨烯的組成并不能解釋為什么這么多人對(duì)此感到興奮。為了更好地了解石墨烯的應(yīng)用前景，對(duì)石墨烯的基本原理(包括生產(chǎn)、用途和未來)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

石墨烯生產(chǎn)

如前所述，石墨烯的歷史很短，2004年首次采用上述透明膠帶法生產(chǎn)，現(xiàn)在也稱為微機(jī)械剝離技術(shù)。石墨烯旗艦產(chǎn)品的使命是將石墨烯帶出實(shí)驗(yàn)室，投入社會(huì)。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于其廉價(jià)和低設(shè)備要求。也就是說，透明膠帶方法不能大規(guī)模執(zhí)行。因此，開發(fā)了其他生產(chǎn)方法。

例如，石墨烯可以通過化學(xué)氣相沉積在碳化硅和其他基底上生長(zhǎng)。除此之外，當(dāng)天然石墨被放入溶液中時(shí)，石墨烯薄片就可以形成。石墨烯旗艦產(chǎn)品稱，直接化學(xué)合成還可用于制造“幾何形狀清晰的小型石墨烯結(jié)構(gòu)”。

然而，到目前為止，世界各地的科學(xué)家仍在研究大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新方法。2017年1月，堪薩斯州立大學(xué)的物理學(xué)家獲得了一項(xiàng)三步法生產(chǎn)三種元素石墨烯的專利。科學(xué)家們使用了火花塞、氧氣和碳?xì)浠衔餁怏w等材料，據(jù)說這種方法有助于石墨烯的快速大規(guī)模生產(chǎn)。

2018年4月，麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了自己的批量生產(chǎn)石墨烯的方法，使用的是卷對(duì)卷法，這是一種制造薄箔的常用方法。然后，工程師們使用化學(xué)氣相沉積加熱箔片，并將其暴露在碳和其他氣體的混合物中。

近年來，許多公司也開始利用自己的方法來生產(chǎn)石墨烯。其中一個(gè)例子是NanoXplore(TSXV:GRA)，該公司計(jì)劃在2020年建成一座年產(chǎn)1萬噸石墨烯的工廠。這些只是一些機(jī)構(gòu)和公司試圖使大規(guī)模石墨烯生產(chǎn)成為可負(fù)擔(dān)得起的現(xiàn)實(shí)的例子。

石墨烯的應(yīng)用

最先制造石墨烯的教授們最終憑借他們對(duì)這種材料的研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，而對(duì)石墨烯所能做的事情的快速一瞥，就很容易明白其中的原因。

正如《衛(wèi)報(bào)》所解釋的那樣，石墨烯令人印象深刻的一系列特性包括:導(dǎo)電性能優(yōu)于銅，不透氣性好，強(qiáng)度是鋼的200倍，但重量是鋼的6倍，而且“幾乎完全透明，因?yàn)樗晃?%的光”。此外，“可以在其表面添加化學(xué)成分來改變其性質(zhì)。”曼徹斯特大學(xué)在解釋這些特性如何發(fā)揮作用時(shí)指出，石墨烯正在許多行業(yè)取得進(jìn)展，比如交通、醫(yī)藥、電子、能源、特種和海水淡化。

具體的例子,說明石墨烯可用于未來的電池空間在2015-研究人員發(fā)現(xiàn),這種材料可以雙鋰離子電池的壽命,后上升到前臺(tái)特斯拉(納斯達(dá)克:廠商)開設(shè)了鋰離子電池gigafactory。三星(KRX:005930)自2017年以來一直在研究一種石墨烯電池，為其手機(jī)提供續(xù)航動(dòng)力。據(jù)推測(cè)，三星公司2019年的旗艦手機(jī)GalaxyS10將使用石墨烯電池，但最終沒有實(shí)現(xiàn)。

石墨烯的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域是透明導(dǎo)電薄膜。

據(jù)《R&D》雜志報(bào)道，這些元件被用于需要電壓/電流和光輸入/輸出的光電子應(yīng)用，如OLED照明、pholtovoltaics和觸摸屏。

石墨烯的應(yīng)用也在其他幾個(gè)地方進(jìn)行了探索。例如，DirectaPlus(LSE:DCTA)正在開發(fā)基于石墨烯的紡織品，并于2018年推出了世界上第一款石墨烯增強(qiáng)牛仔褲和夾克，同時(shí)與Arvind簽署了一項(xiàng)協(xié)議，開發(fā)石墨烯產(chǎn)品在印度銷售。

與此同時(shí)，第一石墨烯公司一直在測(cè)試其作為納米流體冷卻劑的PureGraph產(chǎn)品，稱該產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)的冷卻方式提高了60%。首先，石墨烯還在采礦業(yè)測(cè)試了它的產(chǎn)品，可以延長(zhǎng)設(shè)備的磨損壽命。

一文看懂石墨烯是什么？

未來的前景

展望石墨烯領(lǐng)域的未來，IDTechEx研究公司預(yù)計(jì)，到2027年，石墨烯行業(yè)的年產(chǎn)量將達(dá)到3800噸，價(jià)值超過3億美元。盡管如此，該研究公司預(yù)計(jì)該行業(yè)至少在2021年前仍將處于“產(chǎn)能過剩狀態(tài)”。IDTechEx研究指出，到2027年，儲(chǔ)能和復(fù)合材料等行業(yè)將占據(jù)石墨烯市場(chǎng)的大部分，分別占25%和40%。

研究機(jī)構(gòu)outletMarkets和Markets表示，到2020年，全球石墨烯市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約2.79億美元，2015年至2020年的增長(zhǎng)率為42.8%。該公司表示，推動(dòng)這一增長(zhǎng)的是亞太地區(qū)，預(yù)計(jì)該地區(qū)將擁有全球最快的增長(zhǎng)速度。市場(chǎng)和市場(chǎng)顯示，該地區(qū)的增長(zhǎng)將主要依賴于其高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率、制造業(yè)、低勞動(dòng)力成本和不斷增長(zhǎng)的石墨烯應(yīng)用專利。

類似地，研究和市場(chǎng)表示，石墨烯市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2018年至2026年間以40%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)。印刷電子產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)將是該行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力之一。到2025年，石墨烯的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.523億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到38%。石墨烯的電子應(yīng)用收入將是主要貢獻(xiàn)因素。