顛覆硅時代：石墨烯究竟為何物？

前不久，任正非在接受媒體采訪時聲稱，未來10至20年內(nèi)會爆發(fā)一場技術革命，“我認為這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代”，“現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨是技術革命前沿”。這里提到的石墨烯，究竟是何方神圣？它真的能帶來顛覆嗎？

石墨烯——一種只有一個原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性：石墨烯導電性強、可彎折、機械強度好，看起來頗有未來神奇材料的風范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等——那簡直是改變世界的發(fā)明。連2010年諾貝爾物理學獎都授予了它呢！

但它誕生至今都十年了，我的透明手機在哪呢？

其實就在2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來，兩年來的發(fā)展也基本證明了他們的預測。他認為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個重大困難之前，這一場景還不會到來。更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設備——它的真正前景，或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應用場合。

石墨烯到底是什么？

石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構成的材料。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當于無數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

由于碳原子之間化學鍵的特性，石墨烯很頑強：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學屬性。石墨烯在可見光下透明，但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護層和透明電子產(chǎn)品的原料。

但是適合歸適合，真的做出來還沒那么快。

問題之一：制備方式

許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機械剝離法——用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來。

別笑，2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

雖然所需的設備和技術含量看起來都很低，但問題是成功率更低，弄點兒樣品做研究還可以，工業(yè)化生產(chǎn)？開玩笑。要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片……

當然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本——麻煩是這些辦法的產(chǎn)品質量又掉下去了。我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但是迄今為止還沒有真的能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術。

這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。

于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。材料是個麻煩的領域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。

問題之二：電學性能

石墨烯一個有前景的方向是顯示設備——觸屏，電子紙，等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個問題能在十年之內(nèi)解決。

但是為啥我們不能干脆拋棄金屬，全用石墨烯呢？這就是它在電子產(chǎn)品領域里最致命的問題�，F(xiàn)代電子產(chǎn)品全部是建筑在半導體晶體管之上，而它有一個關鍵屬性稱為“帶隙”：電子導電能帶和非導電能帶之間的區(qū)間。正因為有了這個區(qū)間，電流的流動才能有非對稱性，電路才能有開和關兩種狀態(tài)——可是，石墨烯的導電性能實在太好了，它沒有這個帶隙，只能開不能關。只有電線沒有邏輯電路是毫無用途的。所以要想靠石墨烯創(chuàng)造未來電子產(chǎn)品，取代硅基的晶體管，我們必須人工植入一個帶隙——但是簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個領域的研究的確不少：多層復合材料，添加其他元素，改變結構等等；但是諾沃肖洛夫等人認為這個問題要真正解決，還要至少十年。

問題之三：環(huán)境風險

石墨烯產(chǎn)業(yè)還有一個意想不到的麻煩：污染。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”，它很便宜，雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領域，作為電子紙等用途倒是相當不錯；可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊，只要它老老實實呆在電子產(chǎn)品里，那就沒有任何問題；可是前不久研究者剛發(fā)現(xiàn)它在地表水里非常