被称为“黑金”的石墨烯，到底有多强？

angizao

石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里，它被媒体鼓吹为“新材料之王”，这是言过其实？还是确有其事？

看上去，这种“新材料”与我们的距离非常遥远。而实际上，它早已出现在生活之中，只是没被察觉罢了。比如石墨烯口罩已经面世，而且其防雾霾效果远远优于市面上的口罩。

本期讲者于庆凯将拨开繁杂的信息与新闻，还原石墨烯本来的面目。

造就第387位讲者 于庆凯

• 材料科学家
• 中科院上海微系统与信息技术所
  

今天我要讲的一种材料叫石墨烯，它是一种纳米材料，很小。它有很多优异的性能，那么一个材料优质的性能从哪里来?大家想过这个问题吗?

第一，从它是什么元素，第二，这些元素是怎么排列的。

同样是碳，为什么钻石、石墨、二氧化碳的价值差距这么大？

比如钻石和石墨两种材料，他们都是由碳构成的，但是这种两种材料在我们日常生活中价值似乎完全不同。

钻石颜值很高，价格很贵，它透明、坚硬、绝缘。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松软的、导电的，两种材料完全相反，然而它们都是实实在在由碳组成的材料。

如果我说这位女士你带的0.2克的这块碳是从哪里买的？你肯定感到不高兴，“我这是钻石”。

然而这些钻石也好，石墨也好，和我们呼出的二氧化碳里面的碳都是一样的。好比说，今天你大概呼出了2000多克拉的碳，那么你就觉得这个呼吸好值钱。

结构不一样造成了性质的不一样，我们可以看到，在图中钻石是一个三维结构，而石墨在二维层面有一个很强的化学键连接，在层和层之间是一种很弱的化学键，叫范德华力[1]的连接，这就造成了它们性质的巨大的不同。

我们今天要谈的是个纳米碳材料，那我们就看看在纳米的结构里面，材料的结构对材料的性质究竟会造成什么样的影响。

为什么〇维碳获得了诺奖，而一维碳却失之交臂？

第一，〇维碳，也叫碳60。我们看到它是笼子状的结构，它是一种五边形和六边形拼凑起来的，跟足球非常像，所以它有一个另外的名字叫“足球烯”。

如果我们在足球的每一个拼凑的键点上放一个原子，我们就完全相同地制造了一个碳60的这样的一个分子结构。

这个分子是在1986年被两位美国科学家和一位英国科学家发现的，并由此获得诺贝尔化学奖。富勒烯[2]的发现加深了我们对宇宙中含碳分子的认识、碳的演化的认识，以及对芳香族[3]物质的理解。

一维碳材料——碳纳米管，我们可以看到它是一个管子状的结构，它的直径大约在一纳米上下。这个材料是由日本NEC的科学家饭岛澄男发现的。

1991年，当时由于透射电镜的技术的发展，他可以很清楚地看到这样的一个管式结构。这个碳管在我们做纳米材料的领域中非常重要，因为他使纳米材料进入了普通人的视野，而他在科学界也掀起了纳米材料的高潮。

纳米管有很多奇异的性质，我们似乎觉得碳60获了诺奖，碳管是不是也应该获得诺奖呢？但他并没有，当然诺奖的委员会有不同的考虑，但是有一个原因可能让大家对它有点忧虑。

饭岛澄男发现了碳管的时候，有许多人跳出来说，我早就发现了，我冤枉。也有好多团队这样跳出来，最著名的应该是前苏联的科学家，在1952年的时候他们就看见了纳米碳管的影子。

但由于当时他们是用俄语写的论文，不能被世界其他地方人读到，而且当时的苏联跟其他国家的交往也没有那么多，他们就错过了把这个科研成果公之于众的机会。

大家为此争论不休的时候，科学家忽然在久远的大马士革钢刀里面发现了碳纳米管，当时的这个技术已经失传了。

大马士革钢刀存在于公元三世纪到十七世纪，现在我们又找回了这项技术，在那里我们也发现了碳纳米管，而且碳纳米管在里面是有一个增强和增韧的作用的。

大马士革刀非常锋利，我找到的英文资料是这样形容它的，一根头发落在大马士革钢刀上面会被削成两半，如果用大马士革钢刀去削一个步枪的枪管可以把它削断。这跟我们中文形容刀快不是一样的吗？吹毛断发，削铁如泥。

碳纳米管为什么会出现在大马士革钢刀里面呢？这个并不难理解，是因为我们在炼铁炼钢的过程中有碳的存在，它就提供了碳源，同时有铁的存在，铁是一种催化剂，在今天讲碳管的时候，还要大量地使用铁。

所以那个时候，在一定的工艺条件下生产出的大马士革钢刀里面有碳纳米管就不奇怪了。

用透明胶带分离出石墨烯

下面进入我们的主题二维材料，一提到二维，我相信有很多大刘（刘慈欣）的粉丝想到三体里面讲的二向箔，是一个维度打击武器，可以让一个三维世界在上面坍塌，有无穷的力量。

我们钦佩大刘的丰富的想象力。但是我们也知道，想象力一定是基于一些现实的基础，好比说我们想到了一个长着翅膀、会飞的熊，是因为我们见过一只熊和翅膀，我们把它放在一起就出现了新的创意。

我也在想，大刘是不是受到了二维材料石墨烯的启示，想到这样一种结构。石墨烯的结构就是一个单层的石墨，石墨我们大家非常熟悉，然而这个石墨烯是不是也像石墨那么普通？

实际上不是的，石墨烯从石墨里面是分离出来的，我们承认这一点。然而石墨烯给我们打开了一个广阔的视野，告诉我们材料可以是以二维形式存在的。

作为一个材料科学家，我们受过的教育一直是二维材料这样一层原子组成的结构，在热力学上是不稳定的，它会坍塌。就仿佛说有一张纸有两个足球场那么大，它自己无法支撑自己，除非放在什么上面才行。

2014年，英国曼彻斯特大学的两位科学家Dr. Geim和Novoselov，他们两个人在石墨里面分离出了石墨烯，给我们开阔了一个新的视野，以此为发端，至今为止，我们找到了上千种二维材料。

我们看看二维材料最早是被用一个多么意想不到的方法分离的。

他们拿了一个胶带，然后拿一块石墨这样反复粘。因为它是层状结构，一层一层被分开，最终会找到一些单层的结构，然后把它转移到一个基底上面去，就可以研究它了。

“黑金”石墨烯有多强？

1.力学性质

石墨烯的力学性质非常之强，它的力学拉伸强度达到130GPa，相当于钢铁的一百倍。理论计算得到，如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米，它都能够撑起一只大象的重量。它这么强的力学性能从何而来？就像我们开始讲的——结构决定了性质。

它是一个二维结构，碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居，这三个邻居形成的碳的键非常短，非常强，支撑了石墨烯的高强的力学性质。

2.电学性质

它的电学性质很值得一提，它的电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。

什么是电子迁移率呢？就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定，一个是电子在里面跑多快，第二是有多少电子在里面跑。

大家可以想象一下高速公路，这条公路上限速是多少，车可以跑多快，以有多少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中，很多的时候我们希望有一个高运力，这样的话能加速器件的运算速度。

第二，它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线，比如说金属线铜线，我们通电流，如果电压增加，电流增加到一定程度，电流会把铜丝烧断。

但是石墨烯抗烧断的能力非常之高，它可以达到铜的100万倍！如果我们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现，在双层石墨烯里面，如果转动一个角度，它会有一些超导现象出现。

但在电学性能中它有一项不足，就是它的零能带隙，能带[4]是关系到一个半导体的存在的。如果这个能带合适，这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带，它就不是半导体，它是个金属性质，那么做电子器件还是有一定的困难。科学家们正在克服这些零能带造成的问题。

3.致密与大比表面积

它石墨烯是一个很致密的材料，由于它的键很短，就是原子和原子之间的距离很近，只有0.142nm。也就是说，包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种很好的阻隔材料，比表面积可以达到2630m2/g，就是说它的面积非常大。

我们看中间这张图，就是用石墨烯组成了一个泡沫状的结构，它可以自己把自己支撑起来，但非常非常的轻。我们把它放在一个狗尾草上面，狗尾草看上去没有任何的结构上的变化。

我们可以用这些石墨烯来做一些过滤的材料，在上面开一些我们能控制尺寸的小洞，就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离，空气中的氧气跟氮气的分离。

4.光和热的性质

石墨烯的光的性质，因为只有一种碳源，只有一层碳原子，它的透光率可以达到97.7%，也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。

这个是大还是小呢？实际上是一个很强的光吸收，大约50层石墨烯我们就可以把光完全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以，我们只用它其中的一层就够了，这就使得它有很多可用的地方。

石墨烯的导热性质非常好，目前有两种主要的导热方式。一种叫电子导热，就是一个材料如果它导电非常好的话，它的导热往往也很好，比如说铜和铝。

但是还有一种材料，它的导热是不需要寄托于导电上的，它是靠声子导热的，就是说声波的传播速度，在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s，所以它具有非常好的导热效果。

如何合成石墨烯？

石墨烯的合成有两种形态，一种是长成石墨烯大面积的薄膜，碳在上面组成一个薄膜，原材料往往是一种碳氢气体，比如说甲烷。

这张图里面可以看到，中间有一个蓝颜色的代表一个碳原子，四周红颜色的代表氢原子，一个碳带四个氢。它落到了一个表面上以后，由于催化作用它会分解，这些氢气就走掉了，留下碳在上面重组，就构成了这样一个石墨烯结构。

我们把它放到一个炉子里面，在高温条件下可以做成小单片，也可以通过卷对卷的方式长成大的石墨烯薄膜。

还有一种非常有用的石墨烯材料叫石墨烯粉体。既然石墨烯是石墨中的某一层，我们怎么把它单拿出来呢？

我们把石墨粉作为原材料，然后通过氧化石墨粉，或者是插层石墨粉，把层和层之间插进其他的物质，然后把它们分开，这样就得到了石墨烯的粉体。

但是这个过程有一点问题，在插层和氧化的过程中会造成大量的缺陷，石墨烯的某些性质就会下降。

在实验室我们做成了这样一种东西，通过化学气相沉积的方法，在高温下铜的溶液中通入甲烷气体，它就在这个里面形成了气泡，然后在铜的表面形成石墨烯。在这些气泡上升的过程中携带着这些石墨烯飞出来，然后气泡破掉，我们就收集到了石墨烯。

石墨烯到底是不是“新材料之王”？

1.水处理

由于石墨烯可以做到高疏水性，就是我们在中间图所看的，一滴水流在上面完全变成了水珠。

左边是用这种性质做成了一个水处理的机器，它可以把水、油及固体悬浮物三项分开。

在我们最左边的这幅图里面是一个水、油、悬浮物混合的溶液，然后它进入这个机器以后分出来的中间的是纯水或者处理后的比较干净的水，右边橘色的是油，另一个管道出现的是固态颗粒。右边我们看到它可以做成一个整机，就可以真正地去处理水了。

2.重防腐

桥梁工程也好，海洋工程也好，防腐是一个很重要的事情。石墨烯的防腐涂料是一种很好的重防腐的一个材料，因为它在里面构建出了一个复杂的迷宫结构。那些腐蚀性的离子想透过迷宫结构要走的路更久，所以它腐蚀经历的时间也就越长。

3.吸附

我们知道雾霾是个大问题，它对我们的健康产生很大的影响。现在最好的防雾霾的口罩，除了石墨烯的以外就是市面上的这种口罩。它是用静电来吸引小粒子的，但是只能保持一小时的功效，因为我们呼吸的水蒸气在进出的过程中，静电就被中和掉了，这样的话它就失去了效果。

石墨烯的口罩是靠大比表面积让气体在里面迂回地走，由于大的比表面积，它会吸附那些颗粒，可以长时间使用而不失效，最长可以达到200个小时。现在这种石墨烯口罩市场上已经有卖的了。

4.生物示踪

随着人民生活水平的提高，对健康也会越来越关注，癌症是我们非常关注的疾病。癌症从一个癌细胞被激活到长成一个肿瘤可能只需要几周的时间，为了治疗，我们需要监控它，我们需要看见它，看见肿瘤是怎么分裂的。

用石墨烯做的示踪原子非常好，我们看左边这个图，用石墨烯看到的癌细胞是绿的，它不染色这个正常的细胞，我们就看到癌细胞是怎么变化的。

我们可以看到视频中的癌细胞是怎么分化的，这个就是实时的十秒钟癌细胞是怎么分裂的。这两个细胞它们在一起的时候很快地就变成了四个细胞。

有很多种不同的生物示踪的材料，但是石墨烯的好在哪里呢？石墨烯的发光寿命非常长，普通的示踪材料大概从两个小时到一天它就不再发足够强的光了，我们也就看不到那些癌细胞是怎么演变的。

而石墨烯是一种超稳定结构，它的键很短，化学性质比较惰性，它可以保持两周到一个月的示踪长度，大大方便于我们对疾病的诊断和跟踪。

5.红外成像

石墨烯由于有比较均衡的红外的吸收的谱，很少的材料才能达到这样一个功效。中红外和中远红外同时成像都可以。

我们可以看到两张黑白的图，这里面一个人拿着一个电烙铁，电烙铁发出的光温度很高，大概三四百度。这是一个中红外的波段，人体发出的是远红外的波段。

这种石墨烯的红外的成像可以让两个波段同时呈现，也可以只让一个波段出现，上面就是只看电烙铁，下面就是人和电烙铁都看到。我们就可以同时对人和发动机做监控。

还有热管理，热管理在我们的实际生活中已经开始应用了，加热的地板，加热的服装等等。

下面我想谈一些思考，石墨烯有这么多美妙的性质，它能不能称作“新材料之王”呢？

我觉得为时还早。因为之所以能称王，它必须在这个时代有掌控力、有支配力的，它必须是一个对我们的生活影响最大的材料。

在人类的历史上实际上这种材料并不是很多，第一个是石头，因为它命名了一个时代——石器时代，它是我们最早使用的一个工具，然后到了青铜时代，再往后就是钢铁，再往后塑料、硅、黄金。因为黄金奠定了各国的货币基础，使大家做生意成为可能。

我想只有这些材料目前才能称为“王”，但石墨烯目前还不能称“王”。它未来会不会成为“王”呢？我觉得还是有可能的，这要看这个行业会发展到哪一个方向去，现在我们暂且可以把石墨烯叫“王储”。

当下石墨烯在中国经过了一个热潮，现在到了哪一个阶段，我们看新技术的成长规律，它是一个从起始到高期待，然后往下走。

它必然要往下走，这是一个基本规律，然后到了一个低点以后开始稳步向上升，然后达到了一个平台。那个时候才能真正进入我们的生活。

石墨烯究竟走到哪个阶段，不同的人是有不同的观点的，有的人说它正在往下走，有的人说它已经到了低谷，有人说它已经开始回升了。

我觉得石墨烯是值得我们期待的，它未来一定有很大的作为，因为石墨烯的那些性质是实实在在的；那些数据是实实在在的数据；它有着很高的力学性能、电学性能、各种化学性能在里面。所以石墨烯的未来是一个可期的未来。

• 注释
  

1.范德华力：

Van der Waals force，在化学中指分子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力，根据荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯命名。范德华力是一种电性引力，但它比化学键或氢键弱得多，通常其能量小于5kJ/mol。范德华力的大小和分子的大小成正比。

2.富勒烯：

一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环，还有五元环，偶尔还有七元环。

3.芳香族：

芳香族化合物（aromatic compounds ）是一类具有苯环结构的化合物，它们结构稳定，不易分解，且毒性很强，会对环境造成严重的污染，对人体危害极大。芳香族化合物均具有“芳香性”。

4.能带：

能带理论（Energy band theory）是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论，于20世纪初期，在量子力学确立以后发展起来的一种近似理论。它曾经定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点，并进而说明了导体与绝缘体、半导体的区别所在，解释了晶体中电子的平均自由程问题。