Tips：文明的起源。人類意識(shí)的誕生為文明起源奠定了基礎(chǔ)。意識(shí)具有感知和認(rèn)知兩大功能：感知賦予人感覺(jué)體驗(yàn)，人在感覺(jué)基礎(chǔ)上建立了認(rèn)知觀。

　　遠(yuǎn)古時(shí)代，人們用石頭制作各式各樣的工具用于采集食物，出現(xiàn)早期的部落文明。秦漢時(shí)期，各種鐵器、弓弩的發(fā)明使我們能夠橫掃草原，成為屹立東方的天漢之國(guó)。中世紀(jì)時(shí)，紙張，火藥、指南針的發(fā)明推動(dòng)了文明、探索的進(jìn)步。

　　近代，石油的發(fā)現(xiàn)更是推動(dòng)了工業(yè)革命的發(fā)展，將人類引進(jìn)一個(gè)嶄新的文明的世界。20世紀(jì)，各類半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，引領(lǐng)我們走向高度發(fā)達(dá)的信息化時(shí)代。

　　Tips：中國(guó)四大發(fā)明是造紙術(shù)、指南針、火藥、印刷術(shù)。四大發(fā)明是中國(guó)古代創(chuàng)新的智慧成果和科學(xué)技術(shù)，四大發(fā)明的概念卻來(lái)源于西方學(xué)者，并在之后被中國(guó)人接受。

　　縱觀世界的發(fā)展史，就是一部材料的進(jìn)化史。每一個(gè)新型材料的出現(xiàn)都引領(lǐng)著一個(gè)時(shí)代的發(fā)展，改變著人類的生活方式。而引領(lǐng)21世紀(jì)發(fā)展的超級(jí)材料就是石墨烯。那么石墨烯時(shí)代的來(lái)臨會(huì)給我們的社會(huì)生活帶來(lái)怎樣的變化呢?

　　什么是石墨烯?

　　說(shuō)起石墨烯，大家可能會(huì)一頭霧水，不清楚這是個(gè)什么東西，但要說(shuō)到石墨，大家的認(rèn)識(shí)就深刻多了。石墨是碳的同素異形體，簡(jiǎn)單來(lái)講他倆都是由碳原子組成的，但是因?yàn)榕判蚍绞讲煌?，?dǎo)致性質(zhì)不同的同卵雙胞胎。石墨在日常運(yùn)用中，因其質(zhì)地偏軟具有一定的延展性，常用做鉛筆的筆芯。

　　Tips：石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。

　　在我們用這些鉛筆在紙上勾勒未來(lái)的藍(lán)圖時(shí)，我們并不知道這些黑色的線條竟然能誕生出影響世界走向的超級(jí)材料。這種引領(lǐng)人類未來(lái)走向的材料就是石墨烯。石墨烯與石墨僅有一字之差，兩者的關(guān)系十分緊密，可以說(shuō)石墨烯就是從石墨身上帶下來(lái)的孩子。

　　我們知道，石墨是由一層一層的六邊形碳原子層有序堆疊而形成，看起來(lái)就像是一個(gè)蜂窩狀的立體圖形。由于石墨各層面的分子間作用力較小，因此石墨層間很容易剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆在紙上留下痕跡的原因。當(dāng)石墨剝離成一個(gè)單層的，只有一個(gè)碳原子層時(shí)，所獲得的就是石墨烯。

　　Tips：石墨是碳的一種同素異形體，為灰黑色、不透明固體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，同酸、堿等藥劑不易發(fā)生反應(yīng)。

　　科學(xué)界在很長(zhǎng)一段時(shí)間中，認(rèn)為石墨烯的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，無(wú)法單獨(dú)存在，僅將其當(dāng)做一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)。直到2004年，英國(guó)物理學(xué)家海姆與同事成功在實(shí)驗(yàn)中將石墨烯從石墨中分離出來(lái)，從而證實(shí)了它可以單獨(dú)存在，石墨烯才從人類的假想來(lái)到真實(shí)的世界。兩位得出開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)家，也憑此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　事實(shí)上，早在20世紀(jì)初，科學(xué)家就開(kāi)始尋找石墨烯的身影，特別是在X射線晶體學(xué)創(chuàng)立后，科學(xué)家可以通過(guò)X射線來(lái)研究晶體中原子的排列順序，極大的方便了科學(xué)家對(duì)石墨性質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述和石墨烯的發(fā)現(xiàn)。1918年，物理學(xué)家V. Kohlschütter和P. Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物質(zhì)的性質(zhì)。

　　Tips：X射線晶體學(xué)是一門利用X射線來(lái)研究晶體中原子排列的學(xué)科。運(yùn)用X射線晶體學(xué) [1] 可以了解大分子如蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)構(gòu)和功能。

　　1948年，物理學(xué)家發(fā)布了用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯)圖像，這也是最早的石墨烯圖像。以上種種發(fā)現(xiàn)振奮了科學(xué)家們好奇、探索的心理，他們?cè)噲D開(kāi)始分離、制造石墨烯。

　　但是囿于時(shí)代的局限和設(shè)備的落后，科學(xué)家并沒(méi)有見(jiàn)到夢(mèng)想中的石墨烯國(guó)曼徹斯特大學(xué)與俄國(guó)微電子工藝研究所合作共同研究開(kāi)發(fā)石墨烯項(xiàng)目。在兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作之下，成功分離出了單獨(dú)的石墨烯平面，這是世界上首個(gè)成功的石墨烯分離實(shí)驗(yàn)。在分離石墨烯的過(guò)程中，曼徹斯特大學(xué)家教授海姆與其團(tuán)隊(duì)偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)便的易于操作的石墨烯新型制備方法。

　　Tips：透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscope，簡(jiǎn)稱TEM，可以看到在光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。

　　他們巧妙地利用了石墨的層狀結(jié)構(gòu)特征，將石墨片放在膠帶上，用膠帶粘住石墨片的兩側(cè)，輕輕撕開(kāi)膠帶后，石墨片也一分為二，然后重復(fù)進(jìn)行以上操作使石墨片的厚度越來(lái)越小，直到再也無(wú)法分離。最后用顯微鏡在浩如煙海的薄片中尋找到了厚度只有0.34納米的石墨烯。在海姆及其團(tuán)隊(duì)日以繼夜、苦心孤詣的專研下，石墨烯從虛幻來(lái)到了現(xiàn)實(shí)世界，并綻放出璀璨的光彩。

　　石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

　　石墨烯是一種由碳原子經(jīng)SP2電子雜化軌道形成的，是碳元素的一種同素異形體，是碳原子六邊形結(jié)構(gòu)組成的二維單層石墨層材料。它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一堆碳納米管或者堆垛成三維石墨，它是眾多碳質(zhì)材料的最基本單元。

　　Tips：碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)，徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口的一維量子材料。

　　如果對(duì)石墨烯有更深入的了解，人們就有可能依據(jù)自己的意愿定向制作某種碳質(zhì)材料。石墨烯的外觀并不是平滑如鏡的，在微觀上它的表面呈現(xiàn)出一種粗糙性，表面的起伏如同波浪一般。關(guān)于這種粗糙性的由來(lái)，科學(xué)家們猜測(cè)這可能是襯底與石墨烯相互作用導(dǎo)致的。

　　完美的石墨烯結(jié)構(gòu)是二維的，并且只包括六邊形結(jié)構(gòu)，可以將其看作是一層被剝離的石墨分子。我們知道碳原子的原子數(shù)量是6，在電子軌道的排列中，P軌道上沒(méi)有排滿。在石墨烯結(jié)構(gòu)中，碳原子的連接方式是苯環(huán)狀六邊形連接，所以每個(gè)碳原子在連接之后會(huì)剩下一個(gè)P電子，能夠在晶體中自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。

　　Tips：物體傳導(dǎo)電流的能力叫做導(dǎo)電性。各種金屬的導(dǎo)電性各不相同，通常銀的導(dǎo)電性最好，其次是銅和金。

　　石墨烯有單雙多層之分，其中，單層石墨烯厚底為0.334納米，約為人體頭發(fā)的十萬(wàn)分之一，而石墨烯的性能也與其層數(shù)密切相關(guān)。

　　石墨烯的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，是平面六邊形結(jié)構(gòu)。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接十分柔韌，當(dāng)外力施加在石墨烯上，其碳原子面會(huì)彎曲變形，以極其柔韌的身姿來(lái)承接外力，使內(nèi)部的碳原子不必重新排列來(lái)抵抗外力的入侵，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性。

　　Tips：導(dǎo)熱硅脂具有高導(dǎo)熱率，極佳的導(dǎo)熱性，良好的電絕緣性，只針對(duì)絕緣導(dǎo)熱硅脂，較寬的使用溫度，很好的使用穩(wěn)定性，較低的稠度和良好的施工性能。

　　另外石墨烯中的電子在sp2軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生不必要的散射。由于石墨烯的原子間作用力十分強(qiáng)大，即使周圍原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小，可以應(yīng)用在各種高新技術(shù)領(lǐng)域。

　　石墨烯的應(yīng)用前景

　　目前石墨烯行業(yè)正在摸索之中，不過(guò)石墨烯材料的前景十分廣大。得益于石墨烯良好的導(dǎo)電性和透光性，使它能夠應(yīng)用在透明導(dǎo)電電極上。手機(jī)觸摸屏、液晶顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管、電腦的顯示屏等等元件，都需要良好的透明導(dǎo)電電極材料。更不必說(shuō)，石墨烯同時(shí)具備優(yōu)秀的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、柔韌性和高強(qiáng)度性，堪稱全能復(fù)合型材料之王。

　　Tips：OLED又稱為有機(jī)電激光顯示、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體。OLED屬于一種電流型的有機(jī)發(fā)光器件，是通過(guò)載流子的注入和復(fù)合而致發(fā)光的現(xiàn)象，發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比。

　　通過(guò)化學(xué)用于光伏器件的陽(yáng)極，能量轉(zhuǎn)化率為1.71%。此外，石墨烯材料可以用來(lái)制備太陽(yáng)能電池。

　　除了應(yīng)用于化學(xué)方面，石墨烯還可以應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)方面。研究表明石墨烯制作的過(guò)濾器比目前市面上的任何一種過(guò)濾技術(shù)更強(qiáng)更陷阱，可用于海水淡化，將其變?yōu)榈?，供人類飲用和農(nóng)田灌溉，緩解干旱地區(qū)的旱情。

　　Tips：太陽(yáng)能電池，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定照度條件的光照度，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。

　　石墨烯氧化物還是一種抗菌物質(zhì)。我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯氧化物對(duì)大腸桿菌有著優(yōu)異的抑制作用，它就像是大腸桿菌的天敵一樣。在這個(gè)抑制過(guò)程中就像裝感應(yīng)器一樣只針對(duì)大腸桿菌，不影響人體其他的細(xì)胞。如果這種氧化物能夠?qū)ζ渌募?xì)菌也有抗菌性，那么在抑制其他細(xì)胞方面如癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，就能拯救人類的生命，為醫(yī)學(xué)打開(kāi)一條通天坦途。

　　石墨烯材料強(qiáng)大的應(yīng)用空間和領(lǐng)域，讓世界各國(guó)都為之著迷，認(rèn)為得石墨烯材料之先者可得天下。世界各國(guó)出臺(tái)許多政策和計(jì)劃來(lái)大力開(kāi)發(fā)和扶持石墨烯項(xiàng)目，爭(zhēng)取把握住改變世界的機(jī)遇，成為時(shí)代的弄潮兒。

　　Tips：大腸桿菌Escherichia coli，又叫大腸埃希氏菌，在1885年發(fā)現(xiàn)的。大腸桿菌是條件致病菌，在一定條件下可以引起人和多種動(dòng)物發(fā)生胃腸道感染或尿道等多種局部組織器官感染。

　　作為最先發(fā)現(xiàn)和分離出石墨烯材料的國(guó)家，英國(guó)在石墨烯材料的研發(fā)和開(kāi)拓中占盡先機(jī)，不僅將石墨烯作為戰(zhàn)略性新興材料之一，還投入大把的金錢在石墨烯的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之中，身體力行的扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)。并在2018年，建成石墨烯工程創(chuàng)新中心，在石墨烯基礎(chǔ)研發(fā)領(lǐng)域領(lǐng)跑全球。

　　美國(guó)十分重視石墨烯材料的研發(fā)。目前已經(jīng)建成了相對(duì)完善的產(chǎn)業(yè)鏈，國(guó)家高度支持研發(fā)石墨烯晶體管、儲(chǔ)能設(shè)備，并在以上領(lǐng)域取得多項(xiàng)重大技術(shù)突破。日本從2007年開(kāi)始在石墨烯領(lǐng)域發(fā)力，目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為全面，主要在電子領(lǐng)域的研發(fā)有所突破。歐盟更是豪擲10億歐元投入到石墨烯產(chǎn)業(yè)的研發(fā)之中。

　　Tips：英國(guó)是由大不列顛島上的英格蘭、威爾士和蘇格蘭以及愛(ài)爾蘭島東北部的北愛(ài)爾蘭以及一系列附屬島嶼共同組成的一個(gè)西歐島國(guó)。

　　在這場(chǎng)看不見(jiàn)硝煙的石墨烯研發(fā)大戰(zhàn)中，我國(guó)已經(jīng)取得了戰(zhàn)績(jī)，領(lǐng)先于世界各國(guó)。我國(guó)豐富的石墨含量是支撐我們的根源與底氣。我國(guó)的石墨資源為5500萬(wàn)噸，僅位于巴西之下，是全世界第二大石墨資源儲(chǔ)備大國(guó)。強(qiáng)大的石墨資源儲(chǔ)備，使我們能夠進(jìn)行大量的石墨烯制備，并應(yīng)用在研究之中。截止目前，我國(guó)的石墨烯專利數(shù)量位于世界第一，占全世界石墨烯專利申請(qǐng)總數(shù)的66.57%，專利申請(qǐng)數(shù)達(dá)35570件。

　　我國(guó)十分重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，出臺(tái)了許多利好政策扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)已經(jīng)形成以長(zhǎng)三角區(qū)域和珠江三角區(qū)為中心向四周輻射的石墨烯產(chǎn)業(yè)格局。在寧波實(shí)行石墨烯產(chǎn)業(yè)三年攻堅(jiān)計(jì)劃，在2017年到2019年間，建成相對(duì)完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈。在北京建立18個(gè)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)開(kāi)展石墨烯共性技術(shù)研究及應(yīng)用。

　　Tips：寧波是國(guó)家歷史文化名城，公元前2000多年的夏代，寧波的名稱為“鄞”，春秋時(shí)為越國(guó)境地，秦時(shí)屬會(huì)稽郡的鄞、鄮、句章三縣，唐時(shí)稱明州。

　　我國(guó)舉全國(guó)之力，來(lái)應(yīng)對(duì)這一場(chǎng)時(shí)代風(fēng)向之戰(zhàn)，通過(guò)政策扶持、社會(huì)引導(dǎo)、積極攻堅(jiān)等幾個(gè)方面多管齊下，造就了我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的輝煌成就。在這個(gè)決定世界走向的超級(jí)材料大戰(zhàn)中，取得領(lǐng)先地位。

　　每一個(gè)新技術(shù)的誕生都會(huì)推動(dòng)世界的發(fā)展，給社會(huì)帶來(lái)新的氣象、新的生活方式。石墨烯材料的出現(xiàn)，無(wú)疑是引領(lǐng)時(shí)代潮流的力作。

　　Tips：石墨烯作為近年來(lái)備受關(guān)注的新型材料，其用途非常廣泛，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示器等傳統(tǒng)領(lǐng)域和新興領(lǐng)域都將帶來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。