石墨烯將顛覆未來戰場 中國決心打造成先導產業

英國開發出一種快速量產的新技術，中國專家成功研制產業前景廣闊的石墨烯超強電池，工信部、發改委和科技部等三部委發布《關于加快石墨烯產業創 新發展的若干意見》……連日來，石墨烯概念引起廣泛關注。實際上，石墨烯不僅具有廣闊的產業應用前景，在未來戰場上也必將帶來顛覆性的變革。請看科技日報 特約專稿——

有學者曾說：“19世紀是鐵器的時代，20世紀是硅的時代，21世紀是碳的時代。”而石墨烯更是碳時代的代表性材料。石墨烯是一種只有一個原子 厚度的呈六角形蜂巢晶格（苯環）的二維碳膜。它從石墨中而來，把石墨片剝成單層形成只有一個碳原子厚度的單層結構，就形成了石墨烯。盡管石墨烯還未投入大 規模的產品生產階段，但其展現出的性能優勢使得人們對其在未來戰場上的應用前景充滿期待。

“削鉛筆芯”的啟示

由于石墨晶體中層與層之間的間隔較大，且以范德華力相結合，層狀結構相對松弛，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 得到性能優異的單層石墨烯成為幾個世紀來科學界的反復嘗試。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300萬層的石墨烯所迭加而 成，科學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，英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆與他的同事從“削鉛筆芯”得到靈 感，偶然中發現了一種簡單易行的新方法——微機械剝離法：將石墨薄片粘貼在約15－16cm長的塑料膠帶上，然后將膠帶折疊過來，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，以此將石墨薄片平穩地分成兩片，厚度減為原來的1／2。此后，將上述步驟重復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獎。

除了微機械剝離法，如今還出現了其他有關石墨烯剝離的新方法，如外延生長法、氧化石墨還原法等等。

“神奇材料”的特性

石墨烯以其優于其他材料的特性必將在軍事領域大顯身手。

一是材質堅硬。石墨烯的厚度為0.34納米，比表面積約為2630平方米/克，為已發現的最薄的材料，但其強度卻達到180吉帕(約為普鋼鋼材 的100倍)，是人類已知強度最高的物質。哥倫比亞大學的物理學家用金剛石制成的探針測試石墨烯的承受能力，在被實驗的石墨烯樣品微粒開始碎裂前，每 100納米距離上的石墨烯可承受的最大壓力達到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硬 的材料特性可以使得其在軍隊輕型運輸裝備、防御型武器裝備的材料生產中發揮出巨大的潛力。

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。可以設想，如 果手機、平板電腦上的其他部件和材料也應用石墨烯進行相應的改進,那么未來電子產品的顯示屏就有可能真正實現可折疊。而這樣的技術將使得未來的軍事裝備設 計更加得心應手，富有人性化。美國輝銳科技公司研發并制造出大面積柔性觸控屏，率先進軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場，并獲專業的科技行業投資基金IDG資 本入股成為其股東之一。可見，石墨烯不僅在國防科技領域具有重要的發展前景，其廣闊的應用范圍也引發了民營企業的密切關注。除輝銳科技公司外，韓國三星去 年便宣稱已將石墨烯成功應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，可廣泛應用于移動設備。

三是能量損耗低。科學人員通過對機械剝離法制備的石墨烯進行研究發現，在石墨烯的導帶和價帶之間有重疊，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，遠遠高出其在硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。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。中國科學技術大學(微博)教授曾長淦曾說：“電子在石墨烯里邊好像沒有質量一樣，運動速度非常快。”另一方面，相對于現在普遍使用的硅基材料，石 墨烯具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達 155G，這對于提高芯片性能具有顯著影響。這將使得未來國防科技裝備具備更快更強的“大腦”。

此外，石墨烯對于氣體、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十載中逐漸成為人們公認的“新材料之王”。

“革新裝備”的應用

武器裝備是戰爭的主要物質手段，受軍事需求牽引和技術進步推動而發展。實驗數據顯示，石墨烯可以迅速分散沖擊力，并能中斷通過材料的外展波，承 受沖擊的性能遠勝鋼鐵和凱夫拉等材質。此外，科研人員發現細菌的細胞在石墨烯的紙上無法生長，而人類細胞則不會受損，利用這一點可以利用石墨烯來做繃帶、 食品包裝甚至抗菌T恤衫。

如今，一方面，石墨烯已在未來軍備競賽中表現出巨大的應用潛力，成為大國發展軍事技術的關鍵突破口；另一方面，石墨烯所存在的隱患也是不能忽略 的。舉例而言，石墨烯產業目前最成熟的產品之一是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它的制備成本很低，雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領域，但依然是電子 紙等的優選材料。但其對人體很可能是有毒的，并且科研人員發現它在地表水里非常穩定、極易擴散。

前不久，工信部、發改委和科技部聯合發布《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，提出將石墨烯產業打造成先導產業，逐漸實現石墨烯材料在部 分工業產品和民生消費品上的產業化應用，并提出到2020年，形成完善的石墨烯產業體系。根據此次三部門印發的《意見》，未來，石墨烯將在航空航天、武器裝備、重大基礎設施，以及新能源、新能源汽車、節能環保、電子信息等領域有廣泛應用。

在石墨烯的技術發展上，首先是要把握發展時機，實現技術創新；其次，由于石墨烯的研究還不成熟，并存在著風險和不確定性，因此，制定 出科學合理的技術路線是實現跨越式發展的關鍵所在。如康斯坦丁·諾沃肖洛夫曾說：“石墨烯的真正潛能只有在全新的應用領域里才能充分展現，即那些設計時就 充分考慮了這一材料特性的產品，而不是用來替代現有產品里的其他材料。”