石墨烯被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)的“神奇材料”，它的起源并不引人注目。這種二維材料最早于2004年問世，當(dāng)時曼徹斯特大學(xué)(UniversityofManchester)的兩位教授使用透明膠帶從一塊石墨上剝下石墨烯薄片。

這種材料是碳的結(jié)晶同素異形體，與鉆石和石墨具有相同的特性。簡單地說，這三個碳原子都是由碳原子以不同的方式結(jié)合在一起構(gòu)成的。例如，石墨由六角形晶格中的碳原子結(jié)合而成，而石墨烯則由單片石墨構(gòu)成。

當(dāng)然，僅僅知道石墨烯的組成并不能解釋為什么這么多人對此感到興奮。為了更好地了解石墨烯的應(yīng)用前景，對石墨烯的基本原理(包括生產(chǎn)、用途和未來)進(jìn)行簡要概述。

石墨烯生產(chǎn)

如前所述，石墨烯的歷史很短，2004年首次采用上述透明膠帶法生產(chǎn)，現(xiàn)在也稱為微機(jī)械剝離技術(shù)。石墨烯旗艦產(chǎn)品的使命是將石墨烯帶出實(shí)驗(yàn)室，投入社會。該工藝的優(yōu)勢在于其廉價和低設(shè)備要求。也就是說，透明膠帶方法不能大規(guī)模執(zhí)行。因此，開發(fā)了其他生產(chǎn)方法。

例如，石墨烯可以通過化學(xué)氣相沉積在碳化硅和其他基底上生長。除此之外，當(dāng)天然石墨被放入溶液中時，石墨烯薄片就可以形成。石墨烯旗艦產(chǎn)品稱，直接化學(xué)合成還可用于制造“幾何形狀清晰的小型石墨烯結(jié)構(gòu)”。

然而，到目前為止，世界各地的科學(xué)家仍在研究大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新方法。2017年1月，堪薩斯州立大學(xué)的物理學(xué)家獲得了一項(xiàng)三步法生產(chǎn)三種元素石墨烯的專利?？茖W(xué)家們使用了火花塞、氧氣和碳?xì)浠衔餁怏w等材料，據(jù)說這種方法有助于石墨烯的快速大規(guī)模生產(chǎn)。

2018年4月，麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology)的一個團(tuán)隊(duì)發(fā)布了自己的批量生產(chǎn)石墨烯的方法，使用的是卷對卷法，這是一種制造薄箔的常用方法。然后，工程師們使用化學(xué)氣相沉積加熱箔片，并將其暴露在碳和其他氣體的混合物中。

近年來，許多公司也開始利用自己的方法來生產(chǎn)石墨烯。其中一個例子是NanoXplore(TSXV:GRA)，該公司計(jì)劃在2020年建成一座年產(chǎn)1萬噸石墨烯的工廠。這些只是一些機(jī)構(gòu)和公司試圖使大規(guī)模石墨烯生產(chǎn)成為可負(fù)擔(dān)得起的現(xiàn)實(shí)的例子。

石墨烯的應(yīng)用

最先制造石墨烯的教授們最終憑借他們對這種材料的研究獲得了諾貝爾獎，而對石墨烯所能做的事情的快速一瞥，就很容易明白其中的原因。

正如《衛(wèi)報》所解釋的那樣，石墨烯令人印象深刻的一系列特性包括:導(dǎo)電性能優(yōu)于銅，不透氣性好，強(qiáng)度是鋼的200倍，但重量是鋼的6倍，而且“幾乎完全透明，因?yàn)樗晃?%的光”。此外，“可以在其表面添加化學(xué)成分來改變其性質(zhì)?！甭鼜厮固卮髮W(xué)在解釋這些特性如何發(fā)揮作用時指出，石墨烯正在許多行業(yè)取得進(jìn)展，比如交通、醫(yī)藥、電子、能源、特種和海水淡化。

具體的例子,說明石墨烯可用于未來的電池空間在2015-研究人員發(fā)現(xiàn),這種材料可以雙鋰離子電池的壽命,后上升到前臺特斯拉(納斯達(dá)克:廠商)開設(shè)了鋰離子電池gigafactory。三星(KRX:005930)自2017年以來一直在研究一種石墨烯電池，為其手機(jī)提供續(xù)航動力。據(jù)推測，三星公司2019年的旗艦手機(jī)GalaxyS10將使用石墨烯電池，但最終沒有實(shí)現(xiàn)。

石墨烯的另一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域是透明導(dǎo)電薄膜。

據(jù)《R&D》雜志報道，這些元件被用于需要電壓/電流和光輸入/輸出的光電子應(yīng)用，如OLED照明、pholtovoltaics和觸摸屏。

石墨烯的應(yīng)用也在其他幾個地方進(jìn)行了探索。例如，DirectaPlus(LSE:DCTA)正在開發(fā)基于石墨烯的紡織品，并于2018年推出了世界上第一款石墨烯增強(qiáng)牛仔褲和夾克，同時與Arvind簽署了一項(xiàng)協(xié)議，開發(fā)石墨烯產(chǎn)品在印度銷售。

與此同時，第一石墨烯公司一直在測試其作為納米流體冷卻劑的PureGraph產(chǎn)品，稱該產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)的冷卻方式提高了60%。首先，石墨烯還在采礦業(yè)測試了它的產(chǎn)品，可以延長設(shè)備的磨損壽命。

一文看懂石墨烯是什么？

未來的前景

展望石墨烯領(lǐng)域的未來，IDTechEx研究公司預(yù)計(jì)，到2027年，石墨烯行業(yè)的年產(chǎn)量將達(dá)到3800噸，價值超過3億美元。盡管如此，該研究公司預(yù)計(jì)該行業(yè)至少在2021年前仍將處于“產(chǎn)能過剩狀態(tài)”。IDTechEx研究指出，到2027年，儲能和復(fù)合材料等行業(yè)將占據(jù)石墨烯市場的大部分，分別占25%和40%。

研究機(jī)構(gòu)outletMarkets和Markets表示，到2020年，全球石墨烯市場規(guī)模將達(dá)到約2.79億美元，2015年至2020年的增長率為42.8%。該公司表示，推動這一增長的是亞太地區(qū)，預(yù)計(jì)該地區(qū)將擁有全球最快的增長速度。市場和市場顯示，該地區(qū)的增長將主要依賴于其高經(jīng)濟(jì)增長率、制造業(yè)、低勞動力成本和不斷增長的石墨烯應(yīng)用專利。

類似地，研究和市場表示，石墨烯市場預(yù)計(jì)將在2018年至2026年間以40%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長。印刷電子產(chǎn)品需求的增長將是該行業(yè)的驅(qū)動力之一。到2025年，石墨烯的市場規(guī)模將達(dá)到5.523億美元，年復(fù)合增長率將達(dá)到38%。石墨烯的電子應(yīng)用收入將是主要貢獻(xiàn)因素。