石墨烯的神奇功能，大家壹定都聽說過，但經過這些年的觀察，很多人發現自己好像被忽悠了，石墨烯似乎離我們依然很遙遠。妳相信市場上的石墨烯產品嗎？到底石墨烯是壹個科技噱頭，還是壹匹真正的黑馬？我們從今天開始開拓壹個石墨烯專題，後面陸續講解有關石墨烯的那些事。
壹、石墨烯的發現
石墨烯，是剛發現十多年的壹種新材料。我們這裏說發現而不是發明，是因為自然界本來就有石墨烯。我們經常說的石墨在自然界分布非常廣泛，它們就是由石墨烯堆積起來的，只是人們壹直沒有辦法把單片的石墨烯拿出來而已英國的兩位科學家成功把單片的石墨烯制備出來，我們才得以深入研究石墨烯，當然這兩位科學家也因此獲得了諾貝爾獎。同時，兩位科學家制備石墨烯的方法也傳為了科學創新的佳話。
化學上壹提到制備，往往都是壹堆瓶瓶罐罐裏加上各種試劑，通過復雜的化學反應流程，最終得到壹種物質。但石墨烯最初的制備，居然就像小孩過家家壹樣，只用石墨和膠帶就可以完成。石墨就像是用石墨烯堆疊起來的千層餅，我們如果能壹層壹層揭開，就得到了石墨烯。但是壹層石墨烯的厚度很小，不僅肉眼看不見，就連在顯微鏡下也分辨不出來。所以，不可能像揭開不幹膠壹樣把它揭下來。但是，英國的兩位科學家，想到的辦法是用兩條膠帶分別粘住石墨的兩面，然後壹揭，就可以粘下來很多層石墨烯。然後再用兩個膠帶粘住，揭開，石墨又變薄了。如此反復操作，就可以讓千層餅壹樣的石墨越來越薄，最後只剩下壹層，就是石墨烯了。這樣的壹片石墨烯是壹種類似蜂窩形狀的薄片網絡結構，業內都叫它二維晶體材料，得到這樣的石墨烯就可以對它進行研究了。這個故事，很多朋友都聽過，下面我們再簡單說說石墨烯的性質和應用。
二、石墨烯的性質和應用
1.理想中的石墨烯材料潛力無限
石墨烯的第壹個特殊性質就是很強的力學性能。通俗點說，石墨烯是目前已發現最結實的材料之壹。同樣粗細的鋼纜和石墨烯做的繩子，拉斷鋼纜的力量再增加200倍才有可能把石墨烯繩子拉斷。同時，石墨烯的密度只有鋼鐵的三分之壹到四分之壹。科幻小說中，把太空電梯作為未來世界的標配，但這種電梯怎麽做，也是壹個難題。如果用鋼纜來帶動電梯的話，幾百公裏甚至幾萬公裏長的鋼纜，不用連接電梯轎廂，自己的重量都可以把自己壓斷了。最有可能成為太空電梯繩纜的材料就是石墨烯或者碳納米管做成的繩纜。
如果用石墨烯做成保鮮膜厚度的薄膜，雖然會像保鮮膜壹樣柔軟，但是要想把它給撕開，可不是個簡單的事情。有人做過測算，如果想用針尖紮透壹張石墨烯做的保鮮膜，這個針的上面得站壹頭大象才行。同時，完美石墨烯是近乎絕對不漏氣的材料，就連最輕的氫氣和氦氣也不能從石墨烯的空隙中鉆過去。如果未來可以做出完美的石墨烯輪胎，幾乎就可以終生不用打氣了，即使汽車軋上釘子，也很難把輪胎給紮破。當然也不是永遠安全，時間長了還是會磨破的，另外用火燒也會著火的。換句話說，石墨烯雖好，也不是毫無破綻的。
按照這樣的能力，石墨烯未來的用途會非常廣泛，比如航天領域已經開始規劃石墨烯材料做燃料罐了、石墨烯做的太空服也會非常科幻。
這些應用聽起來很好，但真正到實際應用還非常遙遠。因為這裏最大的難題就是石墨烯的生產問題。其實石墨烯本身並不難生產，自然界有的是，我們現在有很多辦法提取出石墨烯來，在淘寶上，妳壹百多塊錢就能買壹斤石墨烯。但是這樣的石墨烯買了也不能做上面說的那些事。妳能買到的只是石墨烯粉末，真正的石墨烯薄膜是很貴的。就像鉆石壹樣，越大的鉆石越值錢，蠟燭燃燒產生的煙裏就有大量的微型鉆石，妳從來都不會覺得蠟燭燃燒產生的煙會很貴。同樣的，石墨烯粉末價格並不高，但要是做成很大面積的石墨烯薄膜，那就價值不菲了。
現在的工業生產能做到巴掌大的石墨烯薄膜，就已經很不容易了，因為大片的石墨烯生產，並不像壓制鋼板那麽簡單，也不像生產塑料薄膜那麽容易。壹片石墨烯不管面積有多大，都算是壹個分子，越大越復雜的分子生產起來越困難，這是大家都知道的。換句話說，石墨烯的生產，並不是壹堆碳原子壓制出來的，而是用化學反應合成的，面積越大合成越困難。不過，魔高壹尺，道高壹丈，我們現在已經有很多方法可以生產石墨烯了。日本索尼公司2012年已經可以生產寬20厘米、長100米的石墨烯復合材料卷軸了，但這種材料的價格大概跟黃金的價格已經差不多了。未來要想讓石墨烯大規模應用起來，還需要不斷降低生產成本。
但即使我們已經可以生產大面積的完整石墨烯了，要想做成我們剛才提到的輪胎，還是不行的，我們理想中的石墨烯是完美的結構，沒有瑕疵，沒有缺陷，但現實生產的石墨烯或多或少都有瑕疵，而且面積越大，瑕疵越多。大面積的完美石墨烯材料，眼下的生產水平是做不到的，就算能做到，價格也會高到離譜。壹個完美的石墨烯輪胎絕對比最貴的汽車還要貴得多，不是我們壹般消費者能消費得起的。東城老師曾經設想，蜘蛛俠的衣服很有可能通過石墨烯和碳納米管材料來實現，有興趣的朋友可以猜猜用地球上的材料怎樣讓衣服實現蜘蛛俠服裝的那些功能。找時間，我們講壹講實現的方法。
2.現實中石墨烯也有很大的發揮空間
有朋友可能會說了，看來真的被人忽悠了，石墨烯根本還沒法應用，也不是這樣的。石墨烯的性質並不是只有結實這壹個，還有很多性質可以現在就用起來。比如石墨烯的導熱性非常強，有多強呢，我們簡單類比壹下。金屬界，導熱性最強的是銀，其次是銅，壹般我們的筆記本電腦裏都會用銅來把CPU和顯卡產生的熱量傳輸出來。比銀導熱性還強的是金剛石，如果金剛石夠大，像壹把小尺子壹樣長，我們用手握住尺子的這壹頭，就可以用金剛石的另壹頭來融化冰塊。而石墨烯的導熱性能是金剛石的1.5倍，也就是比金剛石還強。有些手機生產廠商已經開始嘗試用石墨烯材料來給手機散熱了。
還有，石墨烯有非常好的導電性能，是目前導電性能最好的半導體材料。再加上石墨烯本性柔軟且透明，非常適合做柔性器件。比如通過應用石墨烯材料，生產可以彎折的太陽能電池板。還可以用石墨烯制作柔性屏幕和觸摸屏，壹舉克服現在手機怕摔且不能彎折的劣勢，將來可彎折的手機也將會越來越多。目前各國都在攻關石墨烯柔性芯片，壹旦研制成功，很多電影中才能見到的柔性可穿戴設備和透明手機將不再是夢想。我國北大科研團隊，研發出了碳基芯片，使用碳納米管做晶體管，未來的發展方向就是在石墨烯的基礎上研發柔性碳基芯片。
石墨烯可以用來制作鋰離子電池的電極材料，比傳統的石墨材料性能要好很多，儲存的電量更高，壽命更長。但是石墨烯的成本比普通石墨要高很多，對於電池的成本影響比較大，未來能否大範圍應用，還得看石墨烯生產成本能否大幅度下降。石墨烯的導電性能還可以進壹步加強，比如添加壹些元素進行導電性改造，可以做成非常好的導體，或者把石墨烯放到液氦裏面，導電性能將大大提高。這都都決定了石墨烯會有非常好的應用前景。
大片的石墨烯用途非常廣泛，但也不是說小片的石墨烯就沒用了，下面再說說石墨烯粉末的應用。石墨烯粉末，專業點說應該叫石墨烯粉體，也有石墨烯的性質，也能有非常廣泛的應用，而且現在來說，這些應用已經走向了市場。
石墨烯粉末仍然有良好的導電性和導熱性，結構依然很結實，不容易磨壞。所以這類材料往往會被添加進其他材料裏面增強其他材料的性能。比如，可以把石墨烯粉末加入潤滑油，會給工程機械帶來更好的潤滑效果，減少機械損傷；添加了石墨烯的油漆有更好的防腐蝕效果；添加了石墨烯的衣服、油漆或地坪，由於具有導電性，可以防止積累靜電；地暖用的耐熱聚乙烯塑料管材中加入石墨烯可以更好的導熱，提高熱量的利用率；石墨烯添加到衣物裏面，具有壹定的遠紅外輻射功能等等。總之，石墨烯粉體可以在軍事、航空航天、工程機械、家居衣物、環境治理、醫藥等多個領域得到廣泛的應用。後面我們會陸續介紹壹些應用場景。
三、我國的石墨烯科技具有領先優勢
作為壹個科技大國，我國壹直註重科技領域的布局。東城老師壹直有個觀點，那就是雖然我們國家在傳統科技領域與西方發達國家有壹定的差距，但在很多新興科技領域，中國緊跟世界潮流，甚至壹些領域實現了領先。作為愛國誌士，我們不應該做“吃火龍果吐籽”的事情，不要事事苛求完美。
我們國家在不放松傳統科技領域研發的同時，壹直比較註重新興科技的研發投入。比如石墨烯材料領域，雖然是英國最早突破的，各國也都在研究，但中國的研究成果非常喜人。從國家層面，我國把石墨烯材料和稀土材料作為未來重點發展的產業領域，給予了很大的政策支持。據統計，中國科研人員發表的跟石墨烯相關的論文數量居世界首位，比美國還多。專利數量也遠超美國，居於世界首位，據統計，2016年-2018年中國申請石墨烯專利壹***有22912件，而美國是841件。從數量上來說，優勢還是非常明顯的。可見我國各行業對石墨烯材料的重視。再加上我國有巨大的應用市場，未來我國最早完成碳材料革命，壹點都不奇怪。
在國家的政策指導下，國內大量企業圍繞石墨烯材料展開了創業和研發，壹大批相關產品面世銷售。當然，這些產品裏，有些是非常優秀的功能產品，給我們的生活帶來了便捷，也有壹些是炒作石墨烯噱頭，沒有宣傳的那麽神奇，希望大家擦亮眼睛，避免上當。後面，我會陸續介紹壹些真實的應用，也會對壹些噱頭進行辟謠。