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为什么石墨烯一夜间就销声匿迹了?它到底是骗局还是黑科技?

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一片只有一个原子厚的碳,曾被吹成能造太空电梯、能创新芯片、能够给它充电快到离谱的神物。获得了诺贝尔奖,各国投入了数十亿搞研发,新闻标题一个比一个吓人。你有没有发现,这几年从话题里被蒸发了。到底是黑科技,还是又一场被资本喂大的空欢喜?

先把它讲清楚。图形烯是碳的一种同素异形体。所谓同素异形体,就是同一个元素,靠原子排列和成键方式不同,变化出各种样子。氧气有我们呼吸的O2,也有阻挡厉害的O3;



磷有红磷,也有四个原碳和磷大概能玩出这么花样,是因为每个原子都有四个成键位点,搭配方式自然就多。碳里最漂亮的是最硬的是金刚石,最常见最稳定的石墨,煤里有。而石墨烯,一定就藏在石墨里。

最简单地说,石墨烯就是碳原子排成的六边形多孔状生长。但这里得抠个细节,大多数都懒得讲清楚:我们说的是“彻底”石墨烯,一层纯碳原子双键完整,能量最低时自动排成完美的多孔,一个原子那么厚,一个缺陷都不可能有。



这也是它为什么极难制造的原因。放弃了一堆碳原子精准摆进了蜂窝格子里,一点点污染或错位,性质就全部变了。

这种原子级的精度,人类至今还没有真正拿下。更麻烦的是,这些细胞受到范德华力的吸引,自己叠起来,叠着叠着就成了石墨,说白了石墨就是把你有缺陷的石墨烯乱糟糟摞在一起。

它最早在上世纪四十年代就被理论预见了,先驱者是加拿大科学家菲利普·华莱士,他说如果能把绘图剥出单独的一层,会出现反常又有趣的特性。



真正被证实分离出来的,是苏格兰大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫干的,用土得可笑的方法,叫“胶带法”,把透明胶带层从石墨上粘下来,再贴到硅片上。就靠着这个,他们观察到了天气预报中的量子霍尔效应,获得了诺贝尔物理学奖,石墨烯的热度这么被点着了。

它的这一系列神奇,几乎都来自那个“二维”。正因为这个量子霍尔效应,里面的电子表现得像没有质量一样,载流能力比铜高出上百万倍,而这只有在二维材料里才可能发生。



除了碳、硼、硅、磷、磷也能单原子层,名字后面都跟着个“烯”字,比如磷烯、真菌烯。它们各有各的本事。不过在一堆里,石墨烯大概率是最耀眼的那颗星。就算将来某个应用没用它,也因为只是找到了更便宜或更好干活的替代品。经济上,通常比性能更能定生死。

石墨烯最著名的,是那高得吓人的抗拉强度,比最强的钢还强几十倍。所以一谈太空电梯、谈巨型建筑,它总要被拉出来溜一圈。可人们常常忘记了,这对彻底石墨烯成立了,而且它的断裂强度很差,像陶瓷一样脆,一掰就断。



有个有趣的例外:两片彻底石墨烯叠在一起,叫深度石墨烯,受压时会像反应装甲一样瞬间变硬。像它的这些变体一样,氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯,严格说都不是真正的石墨烯,但各有大用处。

它虽然是平的,却不是真正的二维,因为在三维宇宙里,纯二维的东西根本存不住。所以一张完美的石墨烯,总会有波纹在上面荡着,好把自己撑在三维里。这波纹说不定还能发电——把导电的石墨烯夹在正态之间,靠背景能量的取电,虽然离实用性还很远。



二维还给了它同样质量下最大的死亡,其道理就像大多数张纸摊开,比装订一本有关的侧面更多。这对储能来说太关键了,所以电池和超级电容一直是研究的重镇。

彻底把石墨烯难做,一般靠化学气相沉积,把碳原子沉到铜片上稳定住晶格。而做氧化石墨烯这类变体,就用硫酸把石墨烯剥离,便宜多了。

这种石墨烯带缺陷、带功能团,反而不爱折叠、好溶、处理后能变了,方便电子和离子穿越。有人用它做出了超级电容,容量是现在工业产品的上百倍,充放电还极快,专门适合需要瞬间爆发大功率的场合。



往锂电池里加石墨烯,或干脆换掉,储能密度能翻好几倍。它又是已知最有弹性的材料之一,能拉长三成再弹回去,于是柔性电池、可弯的显示屏,成了研究方向。

还有一些应用绕着一个叫“魔角”的东西转。两片石墨烯以特定角度错叠开放,能表现出半导体、超导、光导等性质。这意味着它能够做出突破效率极限的太阳能板,或者无法带缺的半导体。很多高温超拉伸的分子上都有平板状结构,冷却时会排成平面让电子超导通过,而石墨烯本身就是二维平面。



所以,引人注目的人赛车,第一个超拉伸,很可能就出在石墨烯或另一种二维材料上面。

真要说它能颠覆什么,大概是三:计算与电子、能源与储能、结构工程。二维半导体没有PN结,能绕开芯片越做越小时的电子谐振串等难题,再加上超高载流能力,速度据推测能比硅快上千倍。

它还轻、柔、大体上和人体相容,能消修改心律的接入物、癌症药的载体,甚至贴在大脑送上。你的身体有朝一日就是一整套石墨烯装置。在储能上,它能够给轨道太阳能阵列的微波脉冲传输削峰填谷;



使电池储能能到今天的好几倍,还更环保。结构上,它本质上是卷起来的石墨烯的碳纳米管,让不导电的材料互连已导电,还能让它念叨久的巨型结构互联。几乎是氢穿过滤、防氢脆、氢核能和聚变,永远派上用场。

说到这,问题就来了:一个满身都是用处的材料,为什么突然没声了?

第一,它大半还卡在研发阶段。我们对它了解太少,尤其是它进人体后会怎样——谁也不想它变成下一块石棉。石墨烯是世界上最锋利的东西,能割开细胞,也能裹住细胞把它憋死。



它不会像当年的滴滴涕那样,对人看害无害,却把某种物种祸害尽尽,也不敢有人敢抢票。

第二、专利。大量技术被少数几家家族攥在手中,一项进展往往先涉足涉足的专利官司,才轮得到上市。 所以现在被商业化的,主要还是十几年前那批实验成果,后来那些更失败的东西,可能还得压上一些好年头才见天日。

第三,贵,而且难做。几平方英寸的纯净石墨烯,便宜的也就几十美元,听着不多,可它才一个原子厚,一个应用动作恐怕要叠几千层。



这么一算,电池的难度就贵得赶上整辆电动自行车了车、辫梁的用料贵得抵上一栋摩天楼。便宜的低质石墨烯已经可以进了网球拍、自行车架,但真打拳击,还早。如果不用石墨烯也能把锂电池做起来又便宜又好,它的出场就还得等。

到底看,它没骗人,那些强度、那些载流能力,一样不假。
只是从那张胶带,到你手里能慢慢买得起的东西,中间隔着钱、隔着专利、隔着一堆没弄明白的安全账。它没销声藏迹,只是被这些东西占有了,在你看不见的地方,一层,往上叠。

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