前不久，任正非在接受媒體采訪時聲稱，未來10至20年內(nèi)會爆發(fā)一場技術(shù)革命，“我認(rèn)為這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代”，“現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨是技術(shù)革命前沿”。這里提到的石墨烯，究竟是何方神圣？它真的能帶來顛覆嗎？
掃描電鏡下的石墨烯，顯示出其碳原子組成的六邊形結(jié)構(gòu)。圖片來源：Lawrence Berkley National Laboratory
石墨烯——一種只有一個原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性：石墨烯導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好，看起來頗有未來神奇材料的風(fēng)范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護(hù)涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等——那簡直是改變世界的發(fā)明。連2010年諾貝爾物理學(xué)獎都授予了它呢！
但它誕生至今都十年了，我的透明手機(jī)在哪呢？
其實就在2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來，兩年來的發(fā)展也基本證明了他們的預(yù)測。他認(rèn)為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個重大困難之前，這一場景還不會到來。更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景，或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應(yīng)用場合。
石墨烯到底是什么？
石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。
石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關(guān)系。圖片來源：enago.com
由于碳原子之間化學(xué)鍵的特性，石墨烯很頑強(qiáng)：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。石墨烯在可見光下透明，但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。
但是適合歸適合，真的做出來還沒那么快。
問題之一：制備方式。
許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機(jī)械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來。
別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。
諾沃肖洛夫團(tuán)隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。圖片來源：wikipedia
雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是成功率更低，弄點兒樣品做研究還可以，工業(yè)化生產(chǎn)？開玩笑。要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片……
當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本——麻煩是這些辦法的產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒有真的能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術(shù)。
這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個石墨烯的強(qiáng)度要減半。材料是個麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。
顯微鏡下的一塊石墨烯，偽色標(biāo)記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。圖片來源：Cornell.edu
問題之二：電學(xué)性能。
石墨烯一個有前景的方向是顯示設(shè)備——觸屏，電子紙，等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個問題能在十年之內(nèi)解決。
但是為啥我們不能干脆拋棄金屬，全用石墨烯呢？這就是它在電子產(chǎn)品領(lǐng)域里最致命的問題。現(xiàn)代電子產(chǎn)品全部是建筑在半導(dǎo)體晶體管之上，而它有一個關(guān)鍵屬性稱為“帶隙”：電子導(dǎo)電能帶和非導(dǎo)電能帶之間的區(qū)間。正因為有了這個區(qū)間，電流的流動才能有非對稱性，電路才能有開和關(guān)兩種狀態(tài)——可是，石墨烯的導(dǎo)電性能實在太好了，它沒有這個帶隙，只能開不能關(guān)。只有電線沒有邏輯電路是毫無用途的。所以要想靠石墨烯創(chuàng)造未來電子產(chǎn)品，取代硅基的晶體管，我們必須人工植入一個帶隙——但是簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個領(lǐng)域的研究的確不少：多層復(fù)合材料，添加其他元素，改變結(jié)構(gòu)等等；但是諾沃肖洛夫等人認(rèn)為這個問題要真正解決，還要至少十年。
問題之三：環(huán)境風(fēng)險。
石墨烯產(chǎn)業(yè)還有一個意想不到的麻煩：污染。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它很便宜，雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域，作為電子紙等用途倒是相當(dāng)不錯；可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊，只要它老老實實呆在電子產(chǎn)品里，那就沒有任何問題；可是前不久研究者剛發(fā)現(xiàn)它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴(kuò)散。雖然現(xiàn)在對它的環(huán)境影響下斷言還為時太早，但這的確是個潛在問題。
所以，石墨烯的命運究竟如何？
鑒于過去幾個月里學(xué)界并無新的突破性進(jìn)展，近日它的這波突發(fā)性“火熱”，恐怕本質(zhì)上還是資本運行的炒作結(jié)果，應(yīng)審慎對待。作為工業(yè)技術(shù)，石墨烯看起來還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出，目前石墨烯的應(yīng)用還是受限于材料生產(chǎn)，所以那些使用最低級最廉價石墨烯的產(chǎn)品（譬如氧化石墨烯納米顆粒），會最先面世，可能只需幾年；但是那些依賴于高純度石墨烯的產(chǎn)品可能還要數(shù)十年才能開發(fā)出來。對于它能否取代現(xiàn)有的產(chǎn)品線，諾沃肖洛夫依然心存疑慮。
另一方面，如果商業(yè)領(lǐng)域過度夸大其神奇之處，可能會導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)業(yè)變成泡沫；一旦破裂，那么也許技術(shù)和工業(yè)的進(jìn)展也無法拯救它?？茖W(xué)作者菲利普·巴爾曾經(jīng)在《衛(wèi)報》上撰文《不要期望石墨烯帶來奇跡》，指出所有的材料都有其適用范圍：鋼堅硬而沉重，木頭輕便但易腐，就算看似“萬能”的塑料其實也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會發(fā)揮巨大的作用，但是沒有理由認(rèn)為它能成為奇跡材料、改變整個世界?；蛘撸弥Z沃肖洛夫自己的話說：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應(yīng)用領(lǐng)域里才能充分展現(xiàn)：那些設(shè)計時就充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子產(chǎn)品，可折疊太陽能電池，和超級電容器等等新領(lǐng)域能否發(fā)揮它的潛能，就讓我們平心靜氣拭目以待吧。（編輯：Calo）
參考文獻(xiàn)
- K. S. Novoselov et al.(2012). A roadmap for graphene. Nature 490, 192–200 (11 October 2012) doi:10.1038/nature11458
- Zhigong Song et al. (2013).Pseudo Hall–Petch Strength Reduction in Polycrystalline Graphene. Nano Lett., 2013, 13 (4), pp 1829–1833 doi: 10.1021/nl400542n
- A Schinwald et al.(2012) Graphene-Based Nanoplatelets: A New Risk to the Respiratory System as a Consequence of Their Unusual Aerodynamic Properties. ACS Nano, 2012, 6, 736 DOI: 10.1021/nn204229f
- Lanphere Jacob D.et al.(2014) Stability and Transport of Graphene Oxide Nanoparticles in Groundwater and Surface Water. Environmental Engineering Science. doi:10.1089/ees.2013.0392.
- Matthew Francis, The Graphene Age isn't (quite) here yet. Ars Tecnica, 17 October 2012
- Philip Ball, Don't expect graphene to perform miracles. The Guardian, 28 December 2012
文章題圖：telegraph.co.uk