自石墨烯**被發(fā)現(xiàn)已過了20年，雖然至今沒能兌現(xiàn)太空電梯的承諾，但這種曾被譽為“明星材料”的碳形式仍然大大改變了世界。

20年前的十月份，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)表了一篇關(guān)于“原子級碳薄膜中的電場效應(yīng)”的開創(chuàng)性論文。他們的研究描述了石墨烯非凡的電子特性——石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層晶體材料，只有一個原子那么厚。

大約在那個時候，我在英國薩里大學(xué)開始了我的博士生涯。我們的團(tuán)隊專注于研究碳的電子特性。碳納米管是當(dāng)時*新的熱點，我也有幸跟隨參與相關(guān)研究。有**，我的教授鼓勵我們一群人前往倫敦，參加一場由曼徹斯特大學(xué)有名科學(xué)傳播者安德烈·海姆主講的講座。

他的演講沒有讓我們失望，實際對我們這些初出茅廬的博士生很有啟發(fā)。他先講了一些奇特的實驗，比如周五下午會做青蛙懸浮實驗，這為海姆贏得了2000年的搞笑諾貝爾物理學(xué)獎，然后談到了原子級厚的超薄碳。盡管如此，我們對這種碳形式仍持懷疑態(tài)度。那時我們根本不敢相信，用石墨（鉛筆芯的主要成分）和膠帶就能得到海姆所說的獨特碳材料。但事實證明我們錯了。

這項工作很快被全球的科學(xué)家成功復(fù)現(xiàn)，同時也發(fā)現(xiàn)了新的制備方法。這種新型碳材料的驚人特性聽起來像是斯坦·李（Stan Lee）漫畫里的東西。它比鋼還堅固、極其柔軟、超滑且不透氣體，它還是比銅更好的電子導(dǎo)體，比鉆石更好的熱導(dǎo)體，而且?guī)缀醪豢梢?，并展現(xiàn)出一系列奇異的量子特性。

那時石墨烯被譽為一種新材料，有望帶來超快電子元件、超級計算機(jī)和超強材料。更科幻的說法還包括太空電梯、太陽帆、人工視網(wǎng)膜，乃至隱形斗篷。

在海姆和諾沃肖洛夫初次發(fā)表有關(guān)石墨烯的工作僅僅六年后，他們就因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這進(jìn)一步激發(fā)了人們對這種神奇材料的研究熱情。從那時起，有關(guān)石墨烯及其相關(guān)材料的學(xué)術(shù)論文已發(fā)表了數(shù)十萬篇。

但并不是所有人都對此買賬。瀏覽任何一篇關(guān)于這種材料的熱門文章的評論區(qū)，你很快就能找到懷疑論者。他們發(fā)牢騷說，已經(jīng)忍受了這么多年來有關(guān)石墨烯會如何改變現(xiàn)實世界的空頭承諾。他們質(zhì)問道，那些所謂能給我們的日常生活，甚至是這個遭受氣候危機(jī)的世界帶來顛覆性變化的產(chǎn)品在哪里？

現(xiàn)在的問題是，石墨烯*后究竟會大獲成功還是一無所獲？就像通常出現(xiàn)的情況那樣，事實往往介于兩者之間。

石墨烯的起起落落

可以說，人們在要求石墨烯達(dá)到一個不可能實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。一方面，大眾媒體為了增加點擊率而夸大有關(guān)石墨烯的科學(xué)故事，另一方面，包括我自己在內(nèi)的學(xué)者們也不免會過度夸大自己所鐘愛的材料的潛力。我不得不先說明這在一定程度上是有益的，比如有助于推動新技術(shù)的發(fā)展。但一旦進(jìn)展看起來令人失望，就可能出現(xiàn)強烈反對的聲音。

話雖如此，但像汽車、電視或塑料這樣的顛覆性技術(shù)往往需要數(shù)十年的發(fā)展。對于石墨烯，總體來看它仍然是個新事物，因此現(xiàn)在對其可能帶來什么影響下定論還為時過早。

事實上，石墨烯已經(jīng)悄然被融入到眾多實際應(yīng)用中。這在很大程度上要歸功于一項由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)協(xié)調(diào)的歐洲重大研究計劃——石墨烯旗艦計劃。該計劃旨在將石墨烯及其相關(guān)材料從學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用，過去十年間已開發(fā)出90多種產(chǎn)品。

這些產(chǎn)品中包括用于高性能運動器材的混合塑料、更耐用的自行車賽車輪胎、能更好地分散沖擊力的摩托車頭盔、用于摩托車部件的導(dǎo)熱涂層，以及用于減少機(jī)械部件之間摩擦和磨損的潤滑劑。

石墨烯正在進(jìn)入電池和超級電容器領(lǐng)域，從而實現(xiàn)更快的充電時間和更長的使用壽命。另外，導(dǎo)電石墨烯墨水正被用于制造傳感器、無線追蹤標(biāo)簽、加熱元件以及保護(hù)敏感電子設(shè)備的電磁屏蔽器件。石墨烯甚至還被用于耳機(jī)，以改善音質(zhì)，以及作為空調(diào)設(shè)備中更有效的熱傳遞方式。

氧化石墨烯的產(chǎn)品正被用于海水淡化、廢水處理和飲用水凈化。另外，現(xiàn)在我們可以直接買到一系列現(xiàn)成的石墨烯材料，而后用于無數(shù)其他產(chǎn)品。一些大型企業(yè)就是在這么做，例如SpaceX、特斯拉、松下、三星、索尼和蘋果在內(nèi)的大型企業(yè)都拒說或已知正在使用石墨烯來開發(fā)新產(chǎn)品。

從承諾到應(yīng)用

石墨烯對材料科學(xué)的影響是不可否認(rèn)的。它對消費品的影響是切實的，但并不被我們用肉眼看到。因為一旦材料被嵌入到工業(yè)產(chǎn)品中，就基本不需要一直提及它，而且出于**的考慮，公司通常也不愿意透露產(chǎn)品細(xì)節(jié)。因此，消費者可能并不知道他們的汽車、手機(jī)或高爾夫球桿中含有石墨烯，而且大多數(shù)可能并不在意這些細(xì)節(jié)，只要產(chǎn)品能正常工作。

隨著生產(chǎn)方法的改進(jìn)以及成本的降低，我們可以預(yù)見石墨烯將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

就我個人而言，在石墨烯發(fā)現(xiàn)20年后的今天，當(dāng)我在實驗室里嘗試有關(guān)石墨烯的新實驗時，我仍然感到興奮。雖然我可能在*初的石墨烯炒作中也起了一定的作用，但我對石墨烯的潛力仍然持樂觀態(tài)度。現(xiàn)在，我仍在等待我的太空電梯之旅，但與此同時，我也對石墨烯如今穩(wěn)步發(fā)展的現(xiàn)狀感到慰藉。不管怎樣，它一直在幫助我們塑造一個更好的未來。