核心提示：被誉为神奇材料的石墨烯一经发现便掀起研究热潮，仅仅几年，其一项项突破接踵而来，让人有点眼花缭乱，石墨烯产品已经出现，产业化之路也露出曙光，从日用的手机、电脑到电动车及高端的医疗都将注入石墨烯的名字，我们要把握这一新的技术革命。

　　近日，两则关于“石墨烯”的报道引起了普遍关注，一是英国下决心打造全球领先的石墨烯研究中心，一则是中科院重庆研究院与上海某公司签约，共同推进“大面积单层石墨烯产业化项目”。从这两则新闻中我们可以体会到对石墨烯这种神奇材料的研究与应用已经迈向了一个新的阶段。那么石墨烯目前研制的状况怎么样?有了哪些成熟的产品?取代硅材料的“碳时代”离我们还有多远?

　　石墨烯电气特性出众掀起电子产品换代风暴

　　记者：曲教授您好，英国下决心打造世界领先的石墨烯研究中心，其他国家也不甘示弱吧?

　　曲良体：近几年国际上掀起了石墨烯研究热潮，2010年诺贝尔物理学奖获得者就是证明石墨烯客观存在的两位英国物理学家，有了这个好的“资源”，英国准备再次整合力量，寻求突破，同时力图在未来几十年里让石墨烯产品进入生产线和市场。美国、欧盟、日、韩等也都在石墨烯上“发力”，大力促进本国石墨烯技术及其应用研究。2007年至2012年间，美国国家自然科学基金会(NSF)关于石墨烯的资助项目有近200项，欧洲科学基金会(ESF)2009年6月启动了欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE);欧盟2011年5月启动了石墨烯旗舰项目(Graphene Flagship)等。日本经济产业省2011年实施的低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料项目，重点支持了碳纳米管和石墨烯的批量合成技术。

　　记者：石墨烯受重视，与它优越的性能有关，我们了解了一下，主要是它又轻又薄，而且有着极好的导电性、热传导性，请您给我们说说。

　　曲良体：石墨烯是由碳原子紧密相连形成的单层膜，具有六边形稳定的基本晶格单元，所以它是二维平面似的材料，只有碳原子相当的厚度，非常薄，这样的结构也决定了它具有“量子隧道效应”电子在其中的“通行”速率为传统半导体硅材料的数十倍至上百倍，而且可在室温下完成，其导热性能也极好。

　　记者：现在的世界可以说是电子(产品)的世界，与我们每个人的生活密切相关，而电子产品又是以硅材料为基础的，石墨烯被认为可以取代硅，那样的话将是一个什么效果?

　　曲良体：计算机的普遍应用使其承担的信息量越来越大，信息处理要求越来越高，摩尔定律指出，计算机的计算速度每隔18个月就提高一倍，这就使得计算机芯片的集成度越来越高，单位芯片上晶体管数目越来越多，每个晶体管的尺寸必须越来越小，而目前晶体管普遍使用的硅材料已经接近极限基本不能再小了，所以如果有一种材料可以达到纳米级别并具备良好的导电性，那么它肯定会成为“明星”，石墨烯就是一种这样的材料，石墨烯导体中电子的运动速度达到了光速的1/300，产热小，散热也快，可以成为新一代的半导体基础材料，引发电器“换代”风暴。

　　记者：目前石墨烯晶体管芯片生产出来了?

　　曲良体：已经研制出来，这是各国科研机构和著名芯片公司重点的研究方向，目前IBM公司在这方面处于领先，已经研制出截止频率为数百GHZ的石墨烯晶体管芯片，并且可以实现石墨烯与硅材料的结合，也就是说为在硅材料芯片基础上提升打下了基础，而不是完全抛弃已有的、成熟硅材料技术。如果计算机用上这样的芯片，频率上升相当容易，目前，硅器件的工作速度已达到千兆赫兹的范围，而石墨烯器件制成的计算机运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。如果能进一步开发，其意义不言而喻。目前的问题是这样的器件还不能大规模、高质量地生产，因为工艺技术尚有难题需克服，包括高质量、大面积石墨烯的制备。

　　功能化突破成关键产业化已经露出曙光

　　记者：2月末有报道称，中科院重庆研究院与上海某公司正式签约,共同推进“大面积单层石墨烯产业化项目”，争取在一年内,建成首期生产线并投产,形成1000万片大面积单层石墨烯的生产能力。这是不是说石墨烯已经可以大规模应用了?

　　曲良体：就目前来说，石墨烯材料最先走向市场的应用点可能是透明导电薄膜类产品，触摸屏就是最典型的一个。现有手机触摸屏的工作层材料为无机材料如氧化铟锡(ITO)玻璃，价格较高、易碎，如果石墨烯作为触摸屏透明电极的材料，那么，不但成本降低，从性能上说，使触摸屏变“软”，可实现一定程度的折叠，携带起来方便，而且非常薄、透明、无毒性。现在的手机、平板电脑等是与人最密切的电子产品，所以产业化前景是广阔的。虽然从石墨烯的理想应用上来说还是牛刀小试，但毕竟为产业化开了一个好头，意义重大。随着技术的成熟，石墨烯产业化将推动材料产业的发展并创造新的经济增长点。

　　记者：这个产业化生产的是单层石墨烯，而各种各样的器具多数都是三维，那么在应用石墨烯方面是把石墨烯片层聚集在一起就可以吗?如何保证它正常发挥功能?

　　曲良体：这是个关键问题。石墨烯的应用面临着如何把原来的石墨烯单片组装在一起并得到相应的功能，即功能化问题，比如，石墨烯片层化学稳定性高，难溶解于水及常用有机溶剂中，这给石墨烯的进一步应用带来困难，所以通过改性和复合等手段使其具有可操作性，形成多系列、多用途的石墨烯原料，扩展应用领域，如把它制成纤维，加工成布料、织物，可实现防辐射、抗静电;还可以做成超轻的三维泡沫结构，由于片层之间有空隙，所以密度极低，轻的足以放置在蒲公英上面而不对其产生影响，同时具有超高的吸附性能，这样，功能化后就可以实现 “要柔可柔、要刚可刚”：柔的话，可做成轻质电缆电线、电容器等柔性器件及各种织物，而刚的话，就是应用其高强度的一面，制成建筑支撑材料代替钢筋等金属材料搭建轻型房子、帐篷等。

　　记者：石墨烯被称为是强度最高的材料，提到“坚强”我们常想到金刚石，但石墨烯又是柔软的，这应该如何理解?

　　曲良体：强度高的，并不仅仅是我们平时感觉如钢铁般坚硬的东西，柔软的东西物理强度也可以大，比如蛛丝。石墨烯也是一样，它的片层能正面承受住很大的压强而不断裂，所以它是航天器及车辆的理想材料，车会非常轻，这样就很节能，撞击后不易破碎，如果应用三维泡沫结构，撞击后还可以形成弹性缓冲，大大减少人员的伤亡。

　　电子生物能源等领域将发生重要变革

　　记者：石墨烯材料将在汽车、航天上发挥大的作用，还可以在哪些领域值得期待?

　　曲良体：我认为石墨烯一个非常有前景的应用就是在储能材料上将一显身手，比如我们知道电动车已研制多年，始终未能大规模应用，一个重要的瓶颈就是不能快速充放电，如果以高电导性的石墨烯作为电极材料，有可能几分钟实现快速充电、轻松蓄能，这样电动车受到的限制将会大大减少。说到储能体系，石墨烯用到太阳能发电装置上也同样会有“神奇”，现有多晶硅太阳能单元的光电转化效率为30%，而石墨烯则能够在理论上将这一数值提高至60%以上，其小型化也成为可能，据悉苹果公司正在打造用在手机上的石墨烯太阳能电池。应该说由于石墨烯多方面的突出性能，所以凡是用到导电性、柔韧、热传导好的纳米材料体，都可以考虑石墨烯。特别是在与人们密切相关的生物医学领域，石墨烯材料与药物以及生物活性物质进行结合，可以开发出多种新型的复合药物、生物器件，这是重要的应用领域。在纳米药物输运系统、生物检测、生物成像、基因治疗等方面，应用前景十分广阔。

　　记者：目前我国石墨烯研究的水平如何?与国际发达国家比是否有差距?

　　曲良体：近几年各国都意识到石墨烯的“革命”意义并着手研究，我国也不例外，目前我国在石墨烯研究上总体水平不比国外落后，在某些方面还取得一批独创、领先的研究成果和发现，比如，北大刘忠范院士研究组、中科院化学所刘云圻研究组、中科院金属所成会明研究组、清华大学石高全研究组等众多优秀团队，都在石墨烯研究方面取得了重要的研究成果，另外国内还有许多研究院所和企业也正致力于石墨烯的应用研究，特别是石墨烯电子器件研究。

　　说到各种应用，目前大多数都处于研发阶段，做成单个的可以，但量产的话，成品率还不高，需要理论、制备、加工工艺的全面配套、齐头并进，总的来说是处于产业化的前夜。我们也相信，由于石墨烯的“天赋”性能是如此之完美，随着科学的不断突破，以石墨烯为代表的碳纳米时代取代硅时代并不遥远。

　　采访札记

　　某种新材料的问世及应用，往往会引起技术及生活的重大变革。“硅”已引领了一个时代，“碳”时代正迈步走来。

　　石墨烯即是“碳”时代的引领者，其蓄势待发之势已显露无疑，因为，各国、各大公司已意识到：对生物、信息、能源三大科技领域都能起到巨大推动作用的，还是石墨烯，因为，任何物件都是以材料为基础的石墨烯的神奇之处不仅在于他的性能优异，而且每天都将带给我们新的产品、新的变化。

　　专家档案

　　曲良体 博士，北京理工大学化学学院教授，博士生导师，北京理工大学徐特立特聘教授，光机电微纳制造学科责任教授。主要从事具有碳-碳共轭结构的纳微米材料研究，涉及碳纳米管、石墨烯、导电高分子等的可控制备、功能化修饰及其应用研究。在国际重要期刊发表论文90余篇，撰写专著章节6篇，申请国际国内发明专利6项。现主持国家自然科学基金2项，国家重大基础研究发展(973)计划课题1项。（游米儿）