顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之石墨烯

吳勤

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨(dú)存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應(yīng)用的全球熱潮。石墨烯優(yōu)異的性能使得它在多個領(lǐng)域具備變革潛力，已經(jīng)有所建樹的領(lǐng)域包括散熱材料、柔性觸摸面板、微型傳感器、電容、芯片材料等，在信息技術(shù)、航空航天、生物環(huán)保等領(lǐng)域顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，將對人類社會產(chǎn)生廣泛影響，被稱為“改變未來世界的革命性材料”。如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。

“材料之王”性能優(yōu)異

石墨烯自初次被發(fā)現(xiàn)就被賦予“神奇材料”“材料之王”等美譽(yù)，單原子納米結(jié)構(gòu)賦予了它許多無以倫比的獨(dú)特性能，是迄今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度最高、結(jié)構(gòu)最致密的材料，并擁有與眾不同的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等特性。

石墨烯是已知最薄最輕的材料之一，它是單碳原子層，厚度僅有0.34納米，相當(dāng)于一根頭發(fā)的1/200000；石墨烯是已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比最好的鋼鐵還要高上100倍；石墨烯是已知最堅(jiān)硬的納米材料，比鉆石還堅(jiān)硬；石墨烯是已知導(dǎo)電性最好的材料，其電子運(yùn)動速度高達(dá)光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度，常溫下其電子遷移率是硅的100倍，其可耐受的電流密度是銅耐受量的100倍左右；石墨烯是已知導(dǎo)熱性最好的材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300瓦/米·度，高于碳納米管和金剛石，更遠(yuǎn)高于常用的散熱材料銅以及最好的導(dǎo)熱金屬銀（420瓦/米·度），有望成為劃時代的散熱材料；石墨烯還具備高透光率、高性能傳感、高吸附強(qiáng)過濾，常溫可實(shí)現(xiàn)無散射傳輸?shù)葍?yōu)良而獨(dú)特的性能。

近期，美國、日本等在制備石墨烯上取得了重要進(jìn)展。2013年，英國牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過控制碳原子在銅箔上的排列，同時輔以適當(dāng)壓力，從而能夠控制石墨烯的厚度、邊緣形狀以及晶界，向大規(guī)模制備石墨烯邁進(jìn)了一步。2014年，韓國三星公司和成均館大學(xué)聯(lián)合成功研制出在硅晶圓上合成單晶單層石墨烯的工藝，實(shí)現(xiàn)了在硅晶圓上的氫端鍺緩沖層生長無皺單晶單層石墨烯，有望解決石墨烯大面積生產(chǎn)問題。2015年，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室表示，其研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積法制備出了2英寸見方的單原子厚度的碳復(fù)合材料，能消除石墨烯片狀集聚問題，這意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料獲得更好的導(dǎo)電效果。

全球涌動石墨烯研發(fā)熱潮

由于石墨烯在能源、材料等各大領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力，多個國家紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)作為長期戰(zhàn)略予以重點(diǎn)關(guān)注。在各方的重視下，石墨烯的研究持續(xù)升溫，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，大大加速了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

多國政府積極布局

美國全面布局石墨烯技術(shù)。美國的重點(diǎn)集中在石墨烯替代硅材料技術(shù)和電子元器件、儲能電池等應(yīng)用方面，主要由美國國家自然科學(xué)基金會、美國國防部及其下屬的以國防高級研究計(jì)劃局為首的政府與軍方支持。2006～2011年，美國國家自然科學(xué)基金會關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目有200項(xiàng)，包括石墨烯超級電容器應(yīng)用、石墨烯連續(xù)和大規(guī)模納米制造等項(xiàng)目；2013年8月，美國國家自然科學(xué)基金會設(shè)立專項(xiàng)，資助石墨烯熱性能和批量制備技術(shù)研究。

歐盟將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來，一直通過框架計(jì)劃支持石墨烯研究。2013年，歐盟委員會選定石墨烯項(xiàng)目作為歐盟首個10年投入10億歐元的“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，這一項(xiàng)目的使命是幫助石墨烯從實(shí)驗(yàn)室走向社會。該項(xiàng)目由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團(tuán)隊(duì)組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。2011年，英國政府把石墨烯作為國家今后四個重點(diǎn)發(fā)展方向之一，宣布投入7150萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立國家石墨烯研究院。2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達(dá)爾公司宣布，繼續(xù)投資6000 萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補(bǔ)充。

日韓等國加大投入力度。日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)從2007年起開始對石墨烯材料、器件的技術(shù)進(jìn)行資助，并以實(shí)現(xiàn)綠色低碳為目標(biāo)重點(diǎn)，支持碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)研發(fā)。韓國預(yù)計(jì)2012～2018年間向石墨烯領(lǐng)域提供總額為2.5億美元的資助。

研發(fā)應(yīng)用取得重大進(jìn)展

石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右，卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波研究開發(fā)浪潮。特別是近兩年來，石墨烯的研究繼續(xù)升溫，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，大大加速了其實(shí)用化進(jìn)程，引發(fā)了人們的高度關(guān)注。

在石墨烯材料研發(fā)方面，2013年，美國麻省理工學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，將具備高電子遷移率的石墨烯薄膜材料置于兩片鐵電材料之間，石墨烯薄膜材料可以產(chǎn)生太赫茲信號，利用該機(jī)理，有望為光電信號互換提供新方式。美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究人員與萊斯大學(xué)合作，在2014年展示了可實(shí)現(xiàn)大面積Bernal型（或AB型）堆疊雙層石墨烯薄膜的新技術(shù)。

在能源方面，石墨烯的應(yīng)用主要集中在氫能存儲、超級電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等方面。2013年，美國萊斯大學(xué)制造出高比容微型石墨烯鋰電池，比容達(dá)到204毫安時/克，厚度僅10納米，充放電時間20秒。試驗(yàn)表明，充放電1000次后電容量僅損耗10%。2014年，麻省理工學(xué)院利用兩張褶皺的石墨烯紙制作了簡單的超級電容器。研究人員證實(shí)，這種石墨烯紙可以平復(fù)1000次，且制造的超級電容性能不發(fā)生明顯降低。這種將石墨烯起皺的技術(shù)不僅可用于制造超級電容器，也可用于制作柔性電池的電極，或者為特定的化學(xué)或生物分子制造可伸縮傳感器等。

在探測與傳感器方面，2012年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測器，能非?？焖俚靥幚砗鸵龑?dǎo)光電信號。2014年，美國密歇根大學(xué)的科學(xué)家通過將可感應(yīng)光子的石墨烯薄層嵌入到隱形眼鏡之中，從而使昏暗的圖像看起來更明亮。

在顯示屏方面，2014年，英國劍橋大學(xué)的研究人員展示了首個可彎曲的石墨烯柔性屏幕，采用軟塑料和石墨烯底板取代了傳統(tǒng)的金屬電極。2014年，韓國三星先進(jìn)技術(shù)研究院與成均館大學(xué)聯(lián)合宣布，他們已經(jīng)合成一種能在更大尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，這是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上的屏幕顯示技術(shù)。

在芯片材料方面，石墨烯被譽(yù)為“21世紀(jì)取代硅的材料”，有望成為新一代的電子元件或晶體管材料。2012年，韓國三星公司利用石墨烯研制出了新的晶體管結(jié)構(gòu)，形成了一個叫做“肖特基勢壘”的能源壁壘，通過調(diào)整壁壘高度可以實(shí)現(xiàn)電流的開關(guān)。2014年，IBM公司發(fā)布由片級石墨烯材料制造的全功能集成電路，它是最先進(jìn)的全功能石墨烯集成電路，可使電子設(shè)備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。

在環(huán)保與生物方面，近期進(jìn)展主要集中在污染物的吸附、海水淡化等。美國萊斯大學(xué)和俄羅斯國立羅蒙諾索夫大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，僅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，并凝結(jié)成固體，陸地、水下都能使用。2012年，麻省理工學(xué)院研究人員借助石墨烯開發(fā)出了一種海水淡化的新方法，通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，從而改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子。這種特制的石墨烯就如同篩子一樣，能快速地濾掉海水中的鹽。2013年，美國洛克希德·馬丁公司也研發(fā)了一種新的石墨烯海水凈化系統(tǒng)，其采用的薄膜厚度是目前市場上最好薄膜的1/500，強(qiáng)度卻達(dá)到了它的1000倍，過濾同樣多的鹽分所需的能源和壓力也是它的百分之一。

巨大應(yīng)用前景改變未來戰(zhàn)場

石墨烯具有卓越而獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性能，這些優(yōu)越的性質(zhì)及特殊的二維結(jié)構(gòu)使其在國防軍事上有著難以估量的應(yīng)用前景，將對未來作戰(zhàn)產(chǎn)生顛覆性的重大影響。

利用石墨烯超薄超輕、抗壓力強(qiáng)的特性，通過與其他材料復(fù)合，研制出了具有超薄、超柔和超輕特性的新型超強(qiáng)材料，可用于機(jī)翼、彈翼等。利用石墨烯的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可代替硅、鍺等材料制成電容、晶體管、集成電路，成為新一代電子元件，可用于超級計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、通信設(shè)備等未來新型軍用電子裝備上。石墨烯還有望蘊(yùn)育出新型寬帶激光器，并取代半導(dǎo)體可飽和吸收鏡成為飛秒光纖激光器的核心材料。

石墨烯可用于防彈衣、裝甲車輛的新材料中，用于代替凱夫拉、芳綸等高性能材質(zhì)，在減輕重量的同時還能提高防護(hù)能力。近期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，石墨烯可以迅速分散沖擊力，并能中斷通過材料的外展波，承受沖擊的性能遠(yuǎn)勝鋼鐵和凱夫拉等材質(zhì)。用石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉纖維）的防護(hù)能力。美國萊斯大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一次微觀彈道測試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發(fā)現(xiàn)這種蜂巢形結(jié)構(gòu)的材料可有效分散動能，其能力比凱夫拉強(qiáng)2倍，比鋼材強(qiáng)10倍。

利用石墨烯透光性好、對環(huán)境敏感度高的特性制成的高效光傳感器，可用于紅外夜視儀和紅外熱像儀等光電探測裝備中，也可以生產(chǎn)導(dǎo)彈用的非制冷紅外導(dǎo)引頭，提高導(dǎo)彈的精度和毀傷目標(biāo)的能力。IBM公司已經(jīng)研制出石墨烯/絕緣體超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可實(shí)現(xiàn)太赫茲級頻率的濾波器與線性偏光片等光學(xué)元件，有助于在未來擴(kuò)展至中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的光電設(shè)備應(yīng)用中。2014年3月，美國密歇根大學(xué)的研究人員利用石墨烯開發(fā)出一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器，其實(shí)現(xiàn)方式是在兩層石墨烯之間放置一個絕緣層，然后施加電流，當(dāng)接觸到紅外光后，可產(chǎn)生足夠的電流生成紅外圖像。該新技術(shù)無需笨重的冷卻裝置就能運(yùn)行，首次實(shí)現(xiàn)了在室溫下對全紅外光譜的觀測。

石墨烯具有高透明性、強(qiáng)韌性以及優(yōu)良的導(dǎo)電性，可用于制作各類武器裝備上的儀表盤、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯制作的柔性屏幕，不僅清晰度高、安全性好，而且重量輕、便于折疊與攜帶，在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置、軍用可穿戴設(shè)備上優(yōu)勢明顯。

在能源方面，石墨烯作為負(fù)極材料能夠大幅提升鋰電池性能，并提高電池的彎曲、拉伸等力學(xué)特性；石墨烯同時兼具高透過性和高導(dǎo)電性，使其可成為透明電極應(yīng)用于太陽能電池；利用石墨烯類膜材料特性，有望解決燃料電池核心部件質(zhì)子傳導(dǎo)膜的燃料滲透難題；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，普遍認(rèn)為它有希望成為理想的超級電容器極板料。2012年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室首次證明，在柔性襯底上采用噴墨打印技術(shù)可以制備出石墨烯超級電容器電極，并進(jìn)一步制造出柔性超級電容器原型。運(yùn)用石墨烯開發(fā)的柔性超級電容器可以增強(qiáng)超級電容器的性能并減少尺寸，與電池相比，其功率密度更高、壽命更長，可增加武器和無人系統(tǒng)的動力并減輕重量。

此外，石墨烯還可以制成特殊涂料，用于軍艦的艦體防護(hù)上，抵御海浪沖擊以及水氣、鹽霧等的侵蝕，大幅提高武器裝備的抗腐蝕能力；石墨烯良好的密閉性，不透氣透水，且能抑制細(xì)菌滋生，可用于制作戰(zhàn)地醫(yī)療物品、軍用食品包裝袋等；石墨烯的薄層結(jié)構(gòu)對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量，可用于戰(zhàn)場污染物的清理，從而降低對生態(tài)環(huán)境的損害。

結(jié) 語

石墨烯的問世不過短短的十余年光景，但其獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學(xué)特性，使它迅速成為眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在國防和軍事等領(lǐng)域扮演重要角色。但是，石墨烯的更廣闊利用仍面臨很多問題需要解決，我們必須統(tǒng)籌規(guī)劃，精心布局，緊緊抓住石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化所帶來的重大發(fā)展機(jī)遇，努力掌握未來科技競爭的制高點(diǎn)。

責(zé)任編輯：葛 妍