英國(guó)開(kāi)發(fā)出一種快速量產(chǎn)的新技術(shù)，中國(guó)專(zhuān)家成功研制產(chǎn)業(yè)前景廣闊的石墨烯超強(qiáng)電池，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng) 新發(fā)展的若干意見(jiàn)》……連日來(lái)，石墨烯概念引起廣泛關(guān)注。實(shí)際上，石墨烯不僅具有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上也必將帶來(lái)顛覆性的變革。
有學(xué)者曾說(shuō)：“19世紀(jì)是鐵器的時(shí)代，20世紀(jì)是硅的時(shí)代，21世紀(jì)是碳的時(shí)代。”而石墨烯更是碳時(shí)代的代表性材料。石墨烯是一種只有一個(gè)原子 厚度的呈六角形蜂巢晶格(苯環(huán))的二維碳膜。它從石墨中而來(lái)，把石墨片剝成單層形成只有一個(gè)碳原子厚度的單層結(jié)構(gòu)，就形成了石墨烯。盡管石墨烯還未投入大規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)階段，但其展現(xiàn)出的性能優(yōu)勢(shì)使得人們對(duì)其在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用前景充滿(mǎn)期待。
“削鉛筆芯”的啟示
由于石墨晶體中層與層之間的間隔較大，且以范德華力相結(jié)合，層狀結(jié)構(gòu)相對(duì)松弛，而石墨烯中碳原子之間柔韌性較大，因此，將石墨層層剝離，并最終得到性能優(yōu)異的單層石墨烯成為幾個(gè)世紀(jì)來(lái)科學(xué)界的反復(fù)嘗試。但是，石墨烯的制備卻并非易事。舉例而言，一支普通的鉛筆芯大約由300萬(wàn)層的石墨烯所迭加而 成，科學(xué)家們嘗試了很多種辦法試圖將石墨烯剝離，但均以失敗告終。直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆與他的同事從“削鉛筆芯”得到靈 感，偶然中發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單易行的新方法——微機(jī)械剝離法：將石墨薄片粘貼在約15-16cm長(zhǎng)的塑料膠帶上，然后將膠帶折疊過(guò)來(lái)，粘在薄片的另一面上，將 石墨薄片夾在中間，并將膠帶和石墨薄片分開(kāi)，以此將石墨薄片平穩(wěn)地分成兩片，厚度減為原來(lái)的1/2。此后，將上述步驟重復(fù)10次，不斷分割上次得到的薄 片，并最終得到單層的石墨烯。2010年10月5日，安德烈·K·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的卓越研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
除了微機(jī)械剝離法，如今還出現(xiàn)了其他有關(guān)石墨烯剝離的新方法，如外延生長(zhǎng)法、氧化石墨還原法等等。
“神奇材料”的特性
石墨烯以其優(yōu)于其他材料的特性必將在軍事領(lǐng)域大顯身手。
一是材質(zhì)堅(jiān)硬。石墨烯的厚度為0.34納米，比表面積約為2630平方米/克，為已發(fā)現(xiàn)的最薄的材料，但其強(qiáng)度卻達(dá)到180吉帕(約為普鋼鋼材的100倍)，是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家用金剛石制成的探針測(cè)試石墨烯的承受能力，在被實(shí)驗(yàn)的石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，每 100納米距離上的石墨烯可承受的最大壓力達(dá)到2.9微牛左右。這意味著如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯兼具輕薄而堅(jiān)硬 的材料特性可以使得其在軍隊(duì)輕型運(yùn)輸裝備、防御型武器裝備的材料生產(chǎn)中發(fā)揮出巨大的潛力。
二是透光率高。石墨烯吸收約2.3%的光，而其透光率則在97%以上，這使得它能夠做到幾乎完全透光，加之石墨烯具備良好的柔性。可以設(shè)想，如 果手機(jī)、平板電腦上的其他部件和材料也應(yīng)用石墨烯進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),那么未來(lái)電子產(chǎn)品的顯示屏就有可能真正實(shí)現(xiàn)可折疊。而這樣的技術(shù)將使得未來(lái)的軍事裝備設(shè) 計(jì)更加得心應(yīng)手，富有人性化。美國(guó)輝銳科技公司研發(fā)并制造出大面積柔性觸控屏，率先進(jìn)軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場(chǎng)，并獲專(zhuān)業(yè)的科技行業(yè)投資基金IDG資 本入股成為其股東之一。可見(jiàn)，石墨烯不僅在國(guó)防科技領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，其廣闊的應(yīng)用范圍也引發(fā)了民營(yíng)企業(yè)的密切關(guān)注。除輝銳科技公司外，韓國(guó)三星去 年便宣稱(chēng)已將石墨烯成功應(yīng)用于觸摸平板顯示器，并制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。
三是能量損耗低。科學(xué)人員通過(guò)對(duì)機(jī)械剝離法制備的石墨烯進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有重疊，而電子和空穴在其中均有很高的遷移率， 其電子遷移的速度僅為光速的三百分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其在硅、銅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體和導(dǎo)體中的速率。一方面，由于石墨烯電阻率極低，這樣高的電子遷移速率使得石墨烯 的能量損耗極低。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(微博)教授曾長(zhǎng)淦曾說(shuō)：“電子在石墨烯里邊好像沒(méi)有質(zhì)量一樣，運(yùn)動(dòng)速度非常快。”另一方面，相對(duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基 材料，石 墨烯具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá) 155G，這對(duì)于提高芯片性能具有顯著影響。這將使得未來(lái)國(guó)防科技裝備具備更快更強(qiáng)的“大腦”。
此外，石墨烯對(duì)于氣體、液體等幾乎是“零滲透”。這意味著，如果給艦艇涂上石墨烯涂層，就好似穿上一身“刀槍不入”的防腐鎧甲。這些令人感到驚奇的特性也讓石墨烯在短短數(shù)十載中逐漸成為人們公認(rèn)的“新材料之王”。
“革新裝備”的應(yīng)用
武器裝備是戰(zhàn)爭(zhēng)的主要物質(zhì)手段，受軍事需求牽引和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)而發(fā)展。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(guò)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)。此外，科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯的紙上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類(lèi)細(xì)胞則不會(huì)受損，利用這一點(diǎn)可以利用石墨烯來(lái)做繃帶、 食品包裝甚至抗菌T恤衫。
如今，一方面，石墨烯已在未來(lái)軍備競(jìng)賽中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為大國(guó)發(fā)展軍事技術(shù)的關(guān)鍵突破口;另一方面，石墨烯所存在的隱患也是不能忽略 的。舉例而言，石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它的制備成本很低，雖不能用來(lái)做電池、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域，但依然是電子紙等的優(yōu)選材料。但其對(duì)人體很可能是有毒的，并且科研人員發(fā)現(xiàn)它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴(kuò)散。
前不久，工信部、發(fā)改委和科技部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，提出將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，逐漸實(shí)現(xiàn)石墨烯材料在部 分工業(yè)產(chǎn)品和民生消費(fèi)品上的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并提出到2020年，形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系。根據(jù)此次三部門(mén)印發(fā)的《意見(jiàn)》，未來(lái)，石墨烯將在航空航天、武器 裝備、重大基礎(chǔ)設(shè)施，以及新能源、新能源汽車(chē)、節(jié)能環(huán)保、電子信息等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
筆者認(rèn)為，在石墨烯的技術(shù)發(fā)展上，首先是要把握發(fā)展時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新;其次，由于石墨烯的研究還不成熟，并存在著風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，因此，制定出科學(xué)合理的技術(shù)路線是實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵所在。如康斯坦丁·諾沃肖洛夫曾說(shuō)：“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)，即那些設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來(lái)替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料。”