2004年，英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）成功地從石墨中分離出石墨烯。2010年，兩人借著在石墨烯方面的創(chuàng)新研究而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。之后，世界范圍內(nèi)對石墨烯的研究、應(yīng)用及投資快速升溫。

作為目前世界上已知的最薄、強度最高、導(dǎo)電性最好且擁有強大靈活性的碳材料，人們對石墨烯在新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用充滿了想象。華為、三星、蘋果和谷歌等巨頭開始積累各種與石墨烯相關(guān)的專利，未來之戰(zhàn)已在實驗室打響。

中國擁有最大的石墨烯研究隊伍，產(chǎn)業(yè)化工作正在如火如荼地進(jìn)行，全國各地也在紛紛興建石墨烯產(chǎn)業(yè)園。那么，中國目前石墨烯產(chǎn)業(yè)化情況如何？石墨烯材料的未來之路究竟在何方？

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授，中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士劉忠范給了我們答案。

劉忠范院士作客《大國之材》

以下是新材料在線?整理的對話內(nèi)容，“材”為新材料在線?，“劉”為劉忠范。

01石墨烯是什么？

材：劉院士好，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，更有科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，請劉院士介紹一下石墨烯這種神奇的材料？

劉：大家都知道石墨，石墨跟石墨烯只有一字之差，實際上石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來，壘到你可以看到就是石墨。而把石墨一層一層的剝下來，剝到最后就是石墨烯。石墨跟石墨烯的關(guān)系就是這樣。簡而言之，石墨烯就是一種純碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二維材料，其形狀表現(xiàn)為蜂窩狀、六角形結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)成的二維平面，就是石墨烯。

材：請問石墨烯材料有哪些優(yōu)越的性能，能在哪些領(lǐng)域應(yīng)用？

劉：首先，石墨烯非常薄、導(dǎo)電性特別好。通俗來講，就是電子在石墨烯里面可以跑得非?？?。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能也決定其是一種非常好的導(dǎo)電材料。

其次，石墨烯的導(dǎo)熱性特別好，理論上它的熱導(dǎo)率可以到5300W/(m·K)，而金剛石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的導(dǎo)熱性是目前為止已知材料中最好的，運用石墨烯的導(dǎo)熱性，可以用來做散熱膜；同時因為石墨烯結(jié)構(gòu)的特殊性，可以用來做發(fā)熱膜。比如國內(nèi)現(xiàn)在有用石墨烯作畫的，這個畫既可以用來欣賞，也有加熱的功能。

此外，因為石墨烯導(dǎo)電性好且表面積特別大，所以目前國內(nèi)比較多的做法是把石墨烯放到鋰離子電池中做添加劑。添加石墨烯后可以顯著提高鋰離子電池的性能、壽命以及循環(huán)次數(shù)。

值得一提的是，因為一層兩層的石墨烯是透明的，又導(dǎo)電又透明你會想到什么呢？可以做觸摸屏、觸控屏。目前市場上一般是用ITO來做觸摸屏，ITO作為一種玻璃，不能來回掰，而石墨烯的柔性特質(zhì)則決定其可以來回掰。

材：請問劉院士是什么時候開始結(jié)緣石墨烯的，能否簡單介紹一下目前團(tuán)隊已經(jīng)取得的成績？

劉：其實我原來研究的就是碳材料，研究方向是碳納米管。我1998年開始做碳納米管，2008年開始研究石墨烯。

事實上，石墨烯跟碳納米管有很多相同之處，石墨片卷起來就是碳納米管，把碳納米管分開、切開就是石墨烯。自然而然，很多研究碳納米管的也就轉(zhuǎn)向研究石墨烯了，我也是其中之一。

當(dāng)年研究碳納米管時，做化學(xué)氣相生長是我們比較擅長的，所以在研究石墨烯的時候，我們很自然地也從化學(xué)氣相生長開始，也就是石墨烯薄膜的制備。

我們團(tuán)隊已經(jīng)在石墨烯薄膜制備領(lǐng)域做了很多工作，可以說我們是石墨烯高質(zhì)量制備做得最好的團(tuán)隊之一。

《大國之材》劉忠范院士篇實拍

02正視石墨烯產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)存問題

材：石墨烯作為一種新型材料，沒有相關(guān)經(jīng)驗可以借鑒，請問您和您的團(tuán)隊在研究石墨烯時遇到過什么問題，又是如何解決的？

劉：目前國內(nèi)號稱石墨烯薄膜的制備可以做到百萬平米每年，但實際上制備出來的產(chǎn)品質(zhì)量還是比較差的。我們以一個簡單的度量方式來看，單晶疇區(qū)越大質(zhì)量越好，性能也就越好。我們一直在試圖突破大的單晶薄膜，但這就意味著我們需要克服重重困難，從基礎(chǔ)研究、理論高度去思考，再從實驗及實踐層面來解決問題。

我覺得我們最大的的突破就是把石墨烯展開到玻璃上，我們叫超級石墨烯玻璃。我們可以在任意玻璃上（透明的或帶有顏色玻璃上）貼上一層石墨烯，我們叫超級石墨烯玻璃。

超級石墨烯玻璃的用途非常多，甚至我們認(rèn)為有可能改變傳統(tǒng)的玻璃行業(yè)。比如說，我們都知道玻璃是絕緣的，放上一層石墨烯之后，它就變成導(dǎo)電的了；玻璃是不導(dǎo)熱的，放上一層石墨烯之后導(dǎo)熱加強；且貼一兩層石墨烯并不會影響到玻璃的透明性，但玻璃的實質(zhì)卻完全變了，我們可以利用石墨烯玻璃做觸摸屏、智能窗。

此外超級石墨烯玻璃還可以應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，我們看到高端汽車玻璃后面會有很多線條，這些線條其實就是導(dǎo)電的電線。而如果用石墨烯玻璃就不需要這些導(dǎo)電線，因為玻璃本身就是導(dǎo)電的。加上電壓之后就不需要貼膜了，它就可以除霜除霧，可以靈活調(diào)控變成深色或淺色。

這是我們團(tuán)隊發(fā)明的技術(shù)，但這之中也還面臨著非常多的困難，比如說大規(guī)模制備、擴(kuò)大產(chǎn)能等問題，但是我們對它充滿期待，相信石墨烯玻璃會成為一個著名品牌。

03石墨烯未來之路在何方？

材：目前全球都在大力發(fā)展石墨烯，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展得怎么樣？

劉：中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域是走在世界前端的。這點可以從我們國家現(xiàn)在已建或在建的十七、八個石墨烯產(chǎn)業(yè)園就能明顯感覺到，包括常州、無錫、深圳、重慶、青島、哈爾濱等。國家政策以及各級政府都在大力推動石墨烯的產(chǎn)業(yè)化。

相對而言，我們比較關(guān)注石墨烯產(chǎn)品，而歐美等國則更多地是在宣傳石墨烯技術(shù)，其實這只是處在不同的階段。我們一般把它分成A、B、C三個階段，初級階段是產(chǎn)品、中期是技術(shù)，到最后肯定是產(chǎn)業(yè)化。

目前我覺得我們國家關(guān)注比較多的還是產(chǎn)品本身，技術(shù)研發(fā)需要投入大量的資金，需要耐心。在這一點上，我們也在向國家各個部門呼吁，要從總體來布局。從先發(fā)優(yōu)勢上來講，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化是走在前列，但后期的長久的優(yōu)勢則取決于我們關(guān)注什么，我覺得這個布局特別重要。不僅僅要關(guān)注現(xiàn)在，還要關(guān)注未來的技術(shù)和更偉大的產(chǎn)業(yè)。

材：您覺得未來石墨烯最有可能在哪些領(lǐng)域率先實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用？

劉：我給石墨烯設(shè)計了三種未來：

第一個未來相當(dāng)于碳纖維。大家知道碳纖維可以應(yīng)用在航空航天上，做大飛機(jī)以及做飛機(jī)的發(fā)動機(jī)等，同時也應(yīng)用到低端的如釣魚竿、高爾夫球桿、自行車等領(lǐng)域。我相信石墨烯至少會像碳纖維那樣在各個行當(dāng)里面發(fā)揮它的優(yōu)勢。

石墨烯的第二個未來相當(dāng)于塑料，我們都知道塑料已經(jīng)應(yīng)用到我們生活中的方方面面，未來石墨烯也有這種可能。因為現(xiàn)在很多產(chǎn)品都已經(jīng)開始添加石墨烯，包括國內(nèi)的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯襪子等。

第三種未來是比較高端的，像硅材料、硅芯片。硅這種材料是一個時代的代名詞，就像歷史上的石器時代、青銅時代等，硅材料改變了我們的精神生活，沒有硅就沒有手機(jī)、計算機(jī)。未來石墨烯也有可能成為一個時代的代名詞，將來有可能取代硅，應(yīng)用在集成電路等領(lǐng)域，速度更快、更輕、可折疊、可穿戴。

以上就是我可以想象到的石墨烯的三種未來，無論是哪種未來的實現(xiàn)，都將對我們的國民經(jīng)濟(jì)、日常生活帶來非常大的影響。