石墨烯：神奇的“新材料之王”
■国树权 江 冉
石墨烯材料实物图。新华社发
近日，来自吉林大学、中国科学院金属研究所、国家深空探测实验室、国家航天局探月等单位的科研人员通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤的观察分析，首次在月壤中发现了天然形成的石墨烯。
凭借优异的性能及应用价值，石墨烯如今在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展，并已广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。
目前，石墨烯的研究与应用开发持续升温，有些科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
那么，此次在月壤中发现天然石墨烯意味着什么？石墨烯未来的发展前景如何？请看本期关注。
用胶带“撕”出来的单层碳原子
提起石墨烯就一定要先提到广泛存在于我们日常生活中的天然矿物——石墨。
作为碳的同素异形体,石墨是一种层状材料，石墨内部的碳原子是一层层排列的。碳原子在同一层里“手拉着手”，紧密相连，但不同层之间碳原子的结合却松松散散，好似一摞扑克牌，轻轻一推，牌和牌之间就会滑动开来。
从化学结构的角度看，石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中，同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相连，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。
如果说石墨是一摞扑克牌，那么石墨烯就是这摞扑克牌当中的一张。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，将石墨烯一层一层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。
虽然石墨烯本来就存在于自然界，但它难以剥离出单层结构。
20多年前，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫认为一定有什么办法能够获得单层的石墨。
怎么能把单层石墨剥离出来呢？
科学家们采取了一个非常“简单粗暴”的办法——用胶带粘。
“就像当在纸上写错字的时候，我们会用胶带把错字粘下来。”科学家们据此大胆联想，胶带能够粘下纸上的表层，是不是也能粘下一层一层的石墨？
实验中，科学家们将热解石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，石墨片被一分为二。虽然此时的石墨厚度距离单层石墨还有十万八千里，但科学家们验证出了这种方法的可行性——每用胶带粘一次，石墨都会变得更薄，坚持用这种“机械剥离法”如此重复操作，他们最终得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
不过，这种用胶带一层层反复剥离石墨薄片得到石墨烯的方法，生产效率低，只能用来制备微米厚度的石墨烯，且无法进行工业化量产。
后来，随着科技水平的提高，石墨烯的制备方法也有了大幅进步。目前，除了这种传统的物理机械剥离法，还有氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积等多种制备石墨烯的方法。
未来的革命性材料
凭借独特的物理和化学性质，石墨烯一经问世，就受到了广泛关注。
首先，石墨烯对物理学基础研究具有特殊意义。
在科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现石墨烯的若干年后，这两位科学家又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，并因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。这一发现，使此前一些只能停留在理论想象阶段的量子效应可以通过具体实验来验证，例如“电子无视障碍”“实现幽灵一般的穿越”等实验。
不过，更令人们感兴趣的，是石墨烯许多“极端”的特性。
被称为“新材料之王”的石墨烯，厚度不及普通纸张的三十万分之一，但却是目前已知强度最高的材料之一，在保持高强度的同时还具有很好的韧性，可以弯曲。有这样一个生动的比喻可以感受石墨烯的这种特性——如果用1块面积1平方米的石墨烯做成吊床，这个吊床本身重量将不足1毫克，但可以承受一只猫的重量。
人们也很难想象，石墨这种几乎是天然界最软的矿物质，但当被“切”成一个碳原子厚度的薄片时，“性格”竟会发生如此之大的变化。
此外，由于只有一层原子，石墨烯中电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也因此有着全新的电学属性。
作为世界上导电性最好的材料之一，石墨烯中电子的运动速度可达到光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。未来，石墨烯有望成为硅的替代品，制造超级计算机的结构部件——超微型晶体管。据相关专家分析，如果用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会提高数百倍。
同时，放眼周围，我们也可以在许多生活用品中看到石墨烯的身影。
无论是具有远红外发热功能、为身体源源不断提供温暖的石墨烯羽绒服，还是抗菌性更强、透气性更好的新型石墨烯口罩，抑或是融合了压力传感技术、精准地感知人体步态信息的石墨烯智能鞋垫，目前石墨烯和其衍生的二维材料正在被不断开发出来，给人们的生活带来便利。
在颜色方面，与黝黑的石墨不同，石墨烯只吸收2.3%的光，几乎是完全透明的。这个特征使得它也非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。2018年，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要用于生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池，一举破解了使用受限、对角度敏感、不易造型等多项太阳能电池应用难题。
航天领域应用前景广阔
根据堆叠碳原子的层数不同，石墨烯主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等类别。本次在月壤中发现的就是具有3~10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子的少层石墨烯。
据估计，星际碳总量中约1.9%是以石墨烯的形式存在。
我国科学家在发表于《国家科学评论》的文章中这样介绍：他们对嫦娥五号钻采岩屑月壤进行了拉曼光谱分析，发现了石墨碳。接下来，他们通过扫描电子显微成像、透射电子显微成像等多种表征技术的综合运用以及对测试结果的多方面严谨比对分析，探究并证实了这些石墨碳就是少层石墨烯。
这一发现重塑了我们对月球化学成分、地理事件和历史的理解，提供了对月球起源的新见解，拓宽了人们对月壤复杂矿物组成的认知，支持了月球含碳假说，为未来人类对月球资源的利用提供了新的探索路径。
凭借优异的力学、热学、电学、光学、摩擦学性能和超强的抗气体渗透性，未来，石墨烯还将在航天材料领域具有广泛的应用前景。
用于制作超灵敏气体检测器——
石墨烯的致密特性，能够帮助检测到气体当中的单个原子。这样的检测器有一个裸露在外的石墨烯表面，气体分子会有效地吸附在表面。当原子黏附在石墨烯表面，其导电性能会产生微小的变化，科研人员通过分析这种变化来实现气体检测的目的。利用检测器对星体表面气体成分进行检测，可以精准测量原子氧密度。通过减少航天器与原子氧的接触，科研人员可以有效避免其强氧化性对航天器表面材料产生严重的剥蚀影响。
用于制作高真空、原子氧和紫外辐照环境下的润滑添加剂——
石墨烯的特殊结构使其极易进入摩擦副之间的接触面，形成物理吸附膜，从而增强润滑效果，减小摩擦。目前已有科研人员基于石墨烯润滑添加剂增强效应原理，在传统空间润滑剂中添加石墨烯获得高承载力和低摩擦因数的复合空间润滑材料。
用于制作航天器构件——
与其他材料相比，石墨烯强度大重量轻，可以被广泛应用于未来航天器的构件中，而减轻航天器重量意味着减少航天器的能源燃料消耗，节省资金成本。此外，石墨烯还具备较好的抗冲击性，这使得石墨烯成为航天领域应用潜力巨大的材料。
无论是地球还是太空，人们总能找到石墨烯的身影。未来随着研发的进一步深入，石墨烯的应用也将越来越广泛，期待石墨烯材料给人类带来更多惊喜！
