揭秘“新材料之王”,什么是石墨烯?

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，是目前发现的最纤薄、最坚硬，且导电导热性能都很好的纳米材料，被大家称为“黑金”，甚至有科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”！

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料，如图1所示，由碳原子和其共价键所形成的原子网格，碳碳键距离仅为1.42 Å，石墨烯内部的碳原子之间的连接柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证结构稳定。

图1 石墨烯结构(转自维基百科)

石墨烯的制备

石墨烯材料的制备方法主要分为两类：

1、 以石墨为原料，通过剥离的方法来制备石墨烯层，如：机械剥离法，氧化还原法，液相剥离等；

2、 通过碳原子的重新排列来合成石墨烯，如：化学气相沉积法，外延生长法，有机合成法等；

石墨烯优异性能

在电学性能方面，石墨烯常温下具有超高载流子迁移率(>15000 cm2/V·s)，电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，目前为止为电阻率最小的材料，有望成为新一代电子元器件的基材。

在光学性能方面，石墨烯具有高透光性(单层吸收3.2%)，看上去几乎是透明的，利用高透光性和低电阻率可以开发透明导电膜、光电膜等。

在机械性能方面，石墨烯是人类已经测量过的强度最高的物质。他的强度比钢铁还要高200倍，具有1 TPA(150, 000, 000 psi)时的拉伸模量(刚度)。

在热学性能方面，石墨烯具有高导热性，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。利用高导热性可以开发散热膜、涂层材料等。采用石墨烯材料制成的导热膜片可以实现锂离子电池与环境间的高效散热。相对于传统的石墨片导热更快，可折叠性更好。

在生物相容性方面，羧基离子可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。

石墨烯的应用

石墨烯有着令人难以置信的物理特性，对于各种各样的领域来说都是具有革命性的存在。

1)制造医用消毒品和食品包装

中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损，利用石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装等。

2)可生产床垫、床上用品等

石墨烯之所以被称为“黑金”，是因为它具有远红外、吸湿导湿、抗菌、抗静电、持久不衰减等五大功能。

以石墨烯床垫为代表的功能床垫受到市场的青睐，功能床垫的市场前景较好。

床垫添加石墨烯，具有超强抗菌抑菌性能，能抑制细菌滋生，再加上强大的吸湿祛湿性能，避免潮湿生菌异味等。保证舒适、健康、干净的睡眠环境。

3)可生产抗菌服装、内衣等

运用石墨烯材料制成的服装，可通过体温激发远红外波、抗菌抑菌、超强祛湿；强化皮肤免疫细胞功能，达到消炎抑菌之效。

图2石墨烯PA6抗菌服装

石墨烯材质的内衣，打破了传统的内裤材质制造工艺，是新时代穿衣革命的新突破。

4)制造石墨烯地暖

石墨烯地暖通过整个地面辐射远红外光波散热，室内温度分布由下而上平缓递减，符合 “暖身先暖脚，温足而顶凉”的中医健康养生理念，避免口干舌燥，更健康，更舒适。石墨烯发热芯片在工作加热时释放远红外光波，即“生命光波”，能有效提高人体的免疫力。

除了以上的应用，石墨烯因独特的光学、力学特性常被运用到航空、电子产业、医学等领域，做到真正的“宝藏”型“黑科技”！