石墨烯发现 20 年：从明星材料到过度炒作的受害者

撰文 | 斯蒂芬·莱斯（Stephen Lyth）

翻译 | 马良骥

编辑 | 王怡博

20年前的十月份，英国曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发表了一篇关于“原子级碳薄膜中的电场效应”的开创性论文。他们的研究描述了石墨烯非凡的电子特性——石墨烯是一种由碳原子构成的单层晶体材料，只有一个原子那么厚。

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大约在那个时候，我在英国萨里大学开始了我的博士生涯。我们的团队专注于研究碳的电子特性。碳纳米管是当时最新的热点，我也有幸跟随参与相关研究。有一天，我的教授鼓励我们一群人前往伦敦，参加一场由曼彻斯特大学著名科学传播者安德烈·海姆主讲的讲座。

他的演讲没有让我们失望，实际对我们这些初出茅庐的博士生很有启发。他先讲了一些奇特的实验，比如周五下午会做青蛙悬浮实验，这为海姆赢得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖，然后谈到了原子级厚的超薄碳。尽管如此，我们对这种碳形式仍持怀疑态度。那时我们根本不敢相信，用石墨（铅笔芯的主要成分）和胶带就能得到海姆所说的独特碳材料。但事实证明我们错了。

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这项工作很快被全球的科学家成功复现，同时也发现了新的制备方法。这种新型碳材料的惊人特性听起来像是斯坦·李（Stan Lee）漫画里的东西。它比钢还坚固、极其柔软、超滑且不透气体，它还是比铜更好的电子导体，比钻石更好的热导体，而且几乎不可见，并展现出一系列奇异的量子特性。

那时石墨烯被誉为一种革命性材料，有望带来超快电子元件、超级计算机和超强材料。更科幻的说法还包括太空电梯、太阳帆、人工视网膜，乃至隐形斗篷。

在海姆和诺沃肖洛夫初次发表有关石墨烯的工作仅仅六年后，他们就因此获得了诺贝尔物理学奖，这进一步激发了人们对这种神奇材料的研究热情。从那时起，有关石墨烯及其相关材料的学术论文已发表了数十万篇。

但并不是所有人都对此买账。浏览任何一篇关于这种材料的热门文章的评论区，你很快就能找到怀疑论者。他们发牢骚说，已经忍受了这么多年来有关石墨烯会如何改变现实世界的空头承诺。他们质问道，那些所谓能给我们的日常生活，甚至是这个遭受气候危机的世界带来颠覆性变化的产品在哪里？

现在的问题是，石墨烯最后究竟会大获成功还是一无所获？就像通常出现的情况那样，事实往往介于两者之间。

石墨烯的起起落落

可以说，人们在要求石墨烯达到一个不可能实现的标准。一方面，大众媒体为了增加点击率而夸大有关石墨烯的科学故事，另一方面，包括我自己在内的学者们也不免会过度夸大自己所钟爱的材料的潜力。我不得不先说明这在一定程度上是有益的，比如有助于推动新技术的发展。但一旦进展看起来令人失望，就可能出现强烈反对的声音。

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话虽如此，但像汽车、电视或塑料这样的颠覆性技术往往需要数十年的发展。对于石墨烯，总体来看它仍然是个新事物，因此现在对其可能带来什么影响下定论还为时过早。

事实上，石墨烯已经悄然被融入到众多实际应用中。这在很大程度上要归功于一项由瑞典查尔姆斯理工大学协调的欧洲重大研究计划——石墨烯旗舰计划。该计划旨在将石墨烯及其相关材料从学术研究转化为商业应用，过去十年间已开发出90多种产品。

这些产品中包括用于高性能运动器材的混合塑料、更耐用的自行车赛车轮胎、能更好地分散冲击力的摩托车头盔、用于摩托车部件的导热涂层，以及用于减少机械部件之间摩擦和磨损的润滑剂。

石墨烯正在进入电池和超级电容器领域，从而实现更快的充电时间和更长的使用寿命。另外，导电石墨烯墨水正被用于制造传感器、无线追踪标签、加热元件以及保护敏感电子设备的电磁屏蔽器件。石墨烯甚至还被用于耳机，以改善音质，以及作为空调设备中更有效的热传递方式。

氧化石墨烯的产品正被用于海水淡化、废水处理和饮用水净化。另外，现在我们可以直接买到一系列现成的石墨烯材料，而后用于无数其他产品。一些大型企业就是在这么做，例如SpaceX、特斯拉、松下、三星、索尼和苹果在内的大型企业都拒说或已知正在使用石墨烯来开发新产品。

从承诺到应用

石墨烯对材料科学的影响是不可否认的。它对消费品的影响是切实的，但并不被我们用肉眼看到。因为一旦材料被嵌入到工业产品中，就基本不需要一直提及它，而且出于专利的考虑，公司通常也不愿意透露产品细节。因此，消费者可能并不知道他们的汽车、手机或高尔夫球杆中含有石墨烯，而且大多数可能并不在意这些细节，只要产品能正常工作。

随着生产方法的改进以及成本的降低，我们可以预见石墨烯将得到越来越广泛的应用。

就我个人而言，在石墨烯发现20年后的今天，当我在实验室里尝试有关石墨烯的新实验时，我仍然感到兴奋。虽然我可能在最初的石墨烯炒作中也起了一定的作用，但我对石墨烯的潜力仍然持乐观态度。现在，我仍在等待我的太空电梯之旅，但与此同时，我也对石墨烯如今稳步发展的现状感到慰藉。不管怎样，它一直在帮助我们塑造一个更好的未来。