专访｜诺奖得主盖姆谈三维世界中的二维石墨烯：材料革命来了

　　“环顾我们的四周，所有物体都是3维（3D）的。它们有长度、宽度和厚度，你找不到缺少任一以上特征的东西。直到近几年，我们对宇宙的感知和理解依然是，真正的低维材料不能存在于我们的3D世界中。”近日，2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆（Andre Geim）接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）专访时如是开场。

图源：世界顶尖科学家论坛
　　
安德烈·盖姆为英国曼彻斯特大学教授，世界顶尖科学家协会成员。因对于二维材料石墨烯的开创性实验研究，盖姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。因在磁悬浮，壁虎胶带和石墨烯三个前沿研究方面的贡献，盖姆多次被汤森路透评为世界上最活跃的科学家之一。2000年，他还幽默了一把，使用磁性克服重力作用让一只青蛙悬浮在半空，被授予搞笑诺贝尔奖（IgNobel Prizes）。
“2004年，世界上第一个真正的二维（2D）材料——石墨烯出现了，它不再有3D材料的标准特性之一即厚度，这种材料薄到了任何材料能达到的极限，它只有一个原子厚。像这样的材料原本是被推定为不存在，被大多数通用自然法则所禁止的。”盖姆对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示。
2004年，盖姆与诺沃肖洛夫通过“撕胶带”的方式获得了单层石墨结构，即使用普通胶带用纯石墨剥离石墨烯层，直到只剩下一层石墨烯。在将胶带组件溶解在丙酮中并干燥后，就可以在显微镜下观察到石墨烯。6年后，他们因“利用胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯”获诺贝尔物理学奖。
石墨烯是六角形晶格中一个原子厚的碳片，与金刚石、石墨以及富勒烯都是碳元素的同素异形体。同素异形体即指由单一元素组成，但因排列方式不同而具有截然不同特性的化学元素。
石墨烯是二维碳基材料，由一个原子厚的碳层组成，被认为是世界上最薄、最坚固的材料。它具有类似石墨的结构，但其密度与碳纤维相同，并且比铝轻五倍。石墨烯是一种几近完美导热材料和电导体，可能超过硅而成为制作下一代计算机芯片的材料。石墨烯几乎完全透明，因此可以成为触摸屏和太阳能电池的理想材料。
因为石墨烯的神奇特性，从量子计算到医疗保健，市面上存在着各种含有石墨烯的产品，如石墨烯暖器、石墨烯充电宝、石墨烯面膜等。比较被广为知晓的如本届北京冬奥会的礼仪服装，在冬奥会运动场馆内温度最低可达零下30多摄氏度，为了让颁奖礼仪服装美观又保暖，衣服里特意添加了中国航发为冬奥会研发的石墨烯发热材料。
中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人陈利军表示，礼服里有一套内胆，这套内胆用了全套的石墨烯新装备。看着礼仪姑娘外面穿的很薄，但里面的石墨烯内胆会提供温度的保障。
材料科学革命：2D材料时代
“在制备出石墨烯之后不久（2005年），我们也找到了十几种其他2D材料，同样只有一个原子或一个分子厚。从那时起，到现在已经找到了数百种2D材料。就材料科学而言，本质上发生了一场革命：不是一个，不是少数，而是一类全新的材料被发现了。”盖姆对澎湃新闻（www.thepaper.cn)说道。
图源：世界顶尖科学家论坛
　　
盖姆认为，就像在石头、青铜和铁器时代一样，当新材料带来新工具和下一阶段文明的发展时，2D材料也被期望在普遍改进我们的技术方面至少与铁、硅或塑料一样具有潜力。这也是为什么石墨烯会收到如此多关注。
“即使人们没有清晰地看到这场正在发生的革命，他们仍然觉得这种独特的材料类别最终应该带来许多新技术。在其他材料上这是一直会发生的情况。石墨烯是第一个2D材料，就其独特性质而言，它可能是最不寻常的2D材料之一。”盖姆表示。
目前石墨烯还未能真正实现规模化制备，成本高昂被称作“黑金”。 复旦大学高分子科学系教授卢红斌此前在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）采访时表示，“目前，石墨烯的平均价格在每公斤1000元”。
《Nanowerk》在《石墨烯等二维材料的大规模合成》文章中提出，石墨烯薄膜每平方米四万五千至十万美元，工业生产方法和成本正在限制石墨烯的实用性。其认为，当今世界生产的石墨烯质量相当差，并不非常适合大多数应用。这可能是更广泛的商业石墨烯应用发展缓慢的主要原因。
对于石墨烯制造的低成本方法，全世界的研究团队目前都正在探索中。1月12日，《自然》发布的一篇研究《Cyclic production of biocompatible few-layer graphene ink with in-line shear-mixing for inkjet-printed electrodes and Li-ion energy storage》表明，爱尔兰的科学家们已经开发出一种新的低成本生产石墨烯的方法，可以加速采用这种强而轻的“神奇材料”。
研究人员表示，使用这种新方法，一旦扩大规模，成本可以降低到每升20英镑。如果成功商业化，这可能会导致多吨数量的生产，远远超过世界目前的石墨烯供应量。
对于石墨烯的未来发展，盖姆持明显的乐观态度，“与任何涉及新材料的技术革命一样，开始时总是缓慢的，不是需要几年，而是几十年才能从学术实验室‘扩散’到主流产业界。这种情况现在正在发生，而且越来越多的消费产品（已经有数百种）加入石墨烯以提高产品性能。下一阶段将是石墨烯和其他2D材料开始占据中心舞台，不仅是改进最终产品，而是推出原本根本不可能出现的新产品和应用。”
石墨烯“工业革命”：正在进行中
天眼查数据显示，截至2021年11月30日，我国已注册石墨烯企业11432家。中国石墨烯联盟（CGIA）秘书长李义春在第八届中国国际石墨烯创新大会表示，目前国内石墨烯专利申请量累计达6.9万件，专利申请量占全球78.18%。2020年市场规模为140亿元，2025年市场规模预计达到1000亿元。
据Vantage Market Research在1月20日发布的调查，预计到2028年全球石墨烯市场规模将达到 25.257亿美元。在2021年至2028年的预测期内，复合年增长率(CAGR)为19.5%。其认为，手机和平板电脑等消费电子产品需求的增长以及消费者购买力的提高这些因素推动了未来几年石墨烯市场的增长。此外，基于氧化石墨烯的透明导电薄膜在汽车行业的使用也推动了市场的增长。另一方面，石墨烯的生产过程风险和石墨烯的毒性是石墨烯市场发展的主要障碍。
ResearchAndMarkets则在1月20日发布报告表示，亚太地区（APAC）是目前最大的石墨烯市场，未来几年也将见证最高的复合年增长率。中国对这种碳形式的消费量很大，尤其是在其电气和电子、能源和医疗领域。此外，石墨烯在轻型飞机和汽车的主体框架中得到应用，主要在中国和印度。
ResearchAndMarkets预计2020年至2030年间，全球石墨烯市场收入的复合年增长率为30.2%，到2030年将从2020年的8470万美元达到11.888亿美元。一方面是来自于电气和电子行业的消费增长：石墨烯的高强度和良好的导电性使其成为印刷电路、晶体管和微芯片的理想选择。此外，石墨烯用于柔性电子产品，因为它允许这种设备折叠和卷起。因此，随着人们购买力的提高，电子电气行业的发展，石墨烯的消费将蓬勃发展。
另一方面则来自于医疗领域的新应用：医疗领域的发展是石墨烯市场发展的另一个关键原因，因为近年来这种材料已开发出许多与医疗保健相关的新应用。由于其高强度和低厚度，石墨烯越来越多地用于制造生物电传感器，例如监测血红蛋白、胆固醇和葡萄糖水平的传感器。这种材料在医疗领域的其他新兴应用包括牙科植入物、假肢、治疗工具，甚至肿瘤学。
经过这么多年的发展，石墨烯的最佳应用会是什么？
目前在柔性电子、复合材料、功能性泡沫和涂层、能量存储以及生物医学等领域都有大量石墨烯相关应用研究, 石墨烯也已在场效应晶体管(FET)、超级电容器和传感器中显示出潜在应用。
诺沃肖洛夫认为，“当下我们所处的阶段，正在努力寻找一些石墨烯的应用方向，已有一些相应的产品出现在市场上。但石墨烯产品并非一夜即会出现‘杀手级’产品，那一天的到来还需很长的历程。”
对于石墨烯是否很快会引发一场新的"工业革命"，盖姆对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，“我不是一个预测何时何地石墨烯会获得突破（像之前所说的占据中心舞台）的未来主义者。像发生在硅和铝两种材料上的一样，突破最可能出现在我们最少期望到的地方。”
但对于石墨烯的未来发展，盖姆认为有一个值得一提的例子，“人们普遍认为，当2D半导体（不是石墨烯，而是一个分子厚的材料，如MoS2或WSe2或类似材料）可以大规模生长（类似于硅晶圆）时，电子行业将能够创造出原本不可能的小工具。”
那么总体而言，目前全球石墨烯研究进展如何？
2007年，盖姆曾写过一篇关于石墨烯的评论文章。他在当时提出，就学术研究而言，这些材料基本上都是“死的”，因为我们几乎已经了解了其所有特性。现在回过头来看，“这在技术上是正确的，但从更普遍的角度来看也是错误的：石墨烯继续以各种新的意想不到的化身出现。有时是其他的2D材料——石墨烯的‘兄弟姐妹’，已经带来了新的令人兴奋的现象;有时石墨烯本身提供了新的物理特性，这要归功于质量的提高或一些戏剧性地改变其性质的技巧和扭曲。石墨烯研究现在已经变得非常广泛，并渗透到物理学和材料科学的几乎每个领域。石墨烯已经死了，石墨烯万岁（Graphene is dead, long live graphene）。”盖姆对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示。

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