纵观人类的发展史，就会发现不少突破性的进步本质上都与新能源和材料的发现有关系。而距离石油的规模筛查以及使用已经过去了近百年时间，这就意味着，该有新能源和新材料出来接替它的位置了。

全球能源消费结构示意图

咱们今天要介绍的这种材料就是可能引领新时代的石墨烯。据悉，像这类超级材料的突围战其实早就开启，而中国也已抢占了先机。

那么，你知道什么是石墨烯吗？网上说的石墨烯时代即将来临又是否是真的呢？

“新材料之王”石墨烯

石墨烯到底是什么？

首先咱们先来简单介绍一下石墨烯，作为一种全新的材料，它确实足够新，因为科学家是在2004年才发现它的。

当时英国曼彻斯特大学的两位科学家在不断分割石墨薄片的过程当中，剥离出了仅由一层碳原子构成的薄片，也就是咱们今天所说的石墨烯。

发现石墨烯的两位科学家

在不少人看来，不就是“切片”吗，这好像也没什么困难的。事实上，在后续的实验当中，科学家找到了更多的石墨烯制备方法。这“切片”工作确实没多难，但是石墨烯之所以能成为科学领域的“香饽饽”，重点在于它本身，而不是“切片工艺”。

毫不夸张地说，地球上最不缺的就是碳材料了，并且碳也十分神奇，它既能形成最坚硬的金刚石，又能形成最软的石墨。

“上帝元素”碳元素

在这种情况下，英国科学家发现石墨烯掀起了新的热潮，因为它的基本结构单元是有机材料当中最稳定的苯六元环，所以毫无悬念的成为了目前最理想的二维纳米材料。

从本质上来说，石墨烯就是由一层密集的碳原子组成的，是人类发现的最薄的二维材料，厚度为0.3354纳米。在有了这种特殊结构的情况下，石墨烯拥有了许多区别于其它材料的特性。

石墨烯的化学结构示意图

比如石墨烯的导热性非常强，导热率可以达到达5000 W·m1·K1，是金刚石的3倍。还有它的强度也非常惊人，轻松达到了钢的100多倍。此外还有载流子迁移率等，都名列前茅。

咱们以载流子迁移率为例，来聊聊石墨烯到底有多强。

原来，由于石墨烯的价带和导带部分相重叠于费米能级处，且是能隙为零的二维半导体。在这种情况下，石墨烯成为了目前发现的电阻率最小的材料。

电导率随石墨烯含量的变化示意图

它优秀的机械和光点性质，使其可以用来制备成各种柔性电子器件以及功能复合材料。由于石墨本身不是什么稀罕的东西，并且“切片”的成本也不是太高，就使得石墨烯具备了成本低廉、可加工性强、成本低廉等特征。

正是因为这样，才有科学家指出石墨烯将引领新的时代发展方向，在各个领域当中掀起一场声势浩大的技术革命。

不过，这个前提是，科学家针对石墨烯的各个特性然后利用相关方法对其进行功能化，从而赋予其新的性质。

未来的神奇材料石墨烯

功能化石墨烯的相关应用

首先就是基于石墨烯的聚合物复合材料的出现。比如科学家认为石墨烯是可替代碳纳米管的理想填充物，其分散性与聚合物基体的相互作用会影响到复合材料的制备。

在这种情况下，制备方法的探索还是经历了不少时间的，但是好在最后的结果没让人失望。这些石墨烯填充聚合物的复合材料抗拉强度都有了明显的提升，并且石墨烯的存在还使复合材料的稳态磨损率降低了将近75％。

资料显示，Zhao等通过溶液混合制备了石墨烯含量为1.8vol%的聚乙烯醇(PVA)复合材料并研究了其力学性能，他们发现复合材料的抗拉强度提高150%，杨氏模量提高了10倍左右。

石墨烯复合材料的制作流程示意图

当然，除了这种石墨烯填充聚合物的复合材料以外，还有层状石墨烯聚合物复合材料、石墨烯基无机纳米复合材料等等，这些复合材料的性能都有显著的提升。

其次就是石墨烯可以用在光电功能材料与器件领域当中，因为它的结构特性十分符合非线性光学材料的需求。

拥有多功能用途的石墨烯材料

以电子器件的开发为例，石墨烯不仅被认为是拥有巨大潜力的新型PET材料，还被科学家制成了“石墨烯带”。

Dai等首先制备了PmPV功能化的石墨烯带,该纳米带的宽度可以在50~10纳米以下,具有多种形态和结构。他们发现,当石墨烯纳米带的宽度在10nm以下时,呈现出明显的半导体性质。

石墨烯纳米带示意图

最后就是因为石墨烯具有单原子层结构，所以它的比表面积非常大，这就非常适合作为药物的载体。不少科学家都利用这一特性，让其实现了更高负载，负载量远高于传统药物。

总之，在石墨烯有着出色光电效应、导热性能、力学特性的情况下，它未来的发展领域确实是相当广阔的，如果研究到位，确实能引领时代。而对于即将到来的石墨烯时代，中国也早已抢占先机。

基于石墨烯的药物载体示意图

中国早已抢占先机

咱们在前文中介绍石墨烯的时候就提到，这家伙是本世纪才出现的产物，所以不像是此前出现的那些材料研究，我国在时间上会有所落后，各国对于石墨烯材料的研究可以说是在同一个起点之上的。

在这种情况下，中国很早就察觉到了这场围绕着石墨烯展开的超级材料突围战已经开启，所以提前做了不少准备，试图抢占先机。从目前的研究成果来看，这个先机咱们确实是得到了。在大部分地区推行扶持石墨烯产业发展的情况下，更多的人投身于石墨烯研究领域，创造了佳绩。

石墨烯应用技术类型示意图

此外，我国针对石墨烯资源的普查也是很到位的，在这些年的考察当中，发现的大量的石墨烯资源，已经超过全球发现总量的50％左右。在有了充足资源的情况下，材料的研究和开发就没了后顾之忧。

正因如此，我国石墨烯研究领域当中硕果累累，申请的专利数量能排到全球第一。并且根据石墨烯产业的市场份额来看，也是相当的惊人，仅2017年和2018年对比就增长了50％以上。

我国受理的石墨烯专利数量变化示意图

由此可见，我们已经为即将到来的石墨烯时代做好了充足的准备，并且能在十几年间就获得这样的成果是十分不易的。

但需要注意的是，在中国石墨烯产业蒸蒸日上的情况下，仍有许多人不看好它，甚至认为这从头至尾就是一个骗局。

从目前的情况来看，石墨烯确实没有为我们带来实质性的东西，但是这不意味着它的价值就不存在。等到技术成熟，更多的高端产品被开发出来之后，石墨烯的价值将一目了然。很明显，想获得这样的成果，前期的付出是在所难免的。

全球石墨烯产品结构占比对比图

因此，大家不妨别急着“唱衰”，静静地等待几年，看看石墨烯的研究到底能发展到哪个地步，又能为我们带来什么样的便利。

值得一提的是，除了我国早早关注到了石墨烯的巨大发展潜力以外，美国、日本、韩国等多个国家都出台了有关石墨烯的相关政策。

以美国为例，他们的国家自然科学基金会在2006年到2011年五年之间就资助了近200项与石墨烯有关的项目，并且其国防部高级研究计划署也从2008年开始，就投入了大约2200万美元，用于石墨烯的开发和研究。

石墨烯确实是极具潜力的新材料

综上所述，以各国对石墨烯的重视程度来看，它成为“香饽饽”肯定不是因为炒作这么简单。在这个新能源和新材料决定未来地位的关键时代，谁先在有潜力的新材料开发领域起步，就意味着具备更大的竞争优势！

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