石墨烯时代即将来临？超级材料突围战开启，我国已抢占先机

　　前言
　　在漫长的历史长河中，古时的人们建造了众多的宏伟建筑、创造了大量的新奇发明，也进行了无数场残酷的战争。人类就在这一次次的探索与尝试中一点点地迈步向前，将各自的文化一点一点地延续下去。
　　而这一切的背后都离不开一样名为＂ 资源 ＂的事物——大兴土木、修建奇观需要资源、发明创造也同样建立在资源的发现或是发现资源的前提上；国泰民安需要资源、带兵打仗也需要资源......可以说 人类的历史，就是发现与抢夺资源的历史。
　　人类对于地球资源的索取已经超载
　　而这些资源当中又可以根据用途简单分成 生活必需资源与战略资源 ，一小撮人出于对财富与权力的追求对生活必需品进行垄断，这往往也是不同文化的历史中的常见桥段，我国古代著名的＂ 盐商 ＂就是一个典型的例子。而 战略资源更是极大地推进了人类文明的发展。
　　这些资源的范畴就相对广泛了很多，例如中世纪为了稳固教会统治，平民百姓是无权读书的，此时 教会垄断的书籍便成了一种特殊的战略资源 ；还有更加常见的 土地 ，也是最直接的战略资源。
　　中世纪教会书籍就是一种资源
　　但我们口头上常说的战略资源还要属那些促进或改变了历史进程的 物质或能源 ，例如我们所说的 煤炭时代与石油时代 等。
　　现如今，和平与发展早已成为世界的主题，但在科学技术日新月异的发展下，又一种新型资源的发现，也隐隐引发了各个国家将其抢占的欲望，这就是我们今天要介绍的奇妙物质—— 石墨烯 （Graphene）。
　　石墨烯结构动图神奇的石墨烯石墨烯到底是啥
　　要介绍石墨烯，我们就要先来聊一聊它的来源，也就是被称为＂ 黑铅 ＂的 石墨（Graphite）。
　　很多人非常好奇石墨的外表，其实石墨的外表就像一个黑色的铅块，也正因如此有着＂黑铅＂的雅号，而且石墨摸上去的触感极为油腻，比看上去要软得多，也 是最软的矿物之一。
　　但别看它这样又黑又软，无论如何它也能算是钻石的亲戚，因为他们都 属于碳的同素异形体 ，说白了两者的本质都是碳。
　　石墨
　　可能就有朋友问了，那这石墨和石墨烯有什么关系呢？
　　这就要提到石墨的结构了， 石墨是由一层一层的碳原子组成的，每一层的碳原子的晶体结构都呈蜂窝状，每层间距仅大约0.335nm，一根头发的直径都是其20万倍，不是一般的薄，而这一层层由碳原子所构成的晶状膜便是石墨烯了 。
　　所以说石墨和石墨烯的关系可以简单地理解成整个的菠萝与切成一片一片的菠萝、或者是一整个火腿和切成一片一片的火腿之间的关系。只不过石墨烯相比这些食物来说要薄得多。
　　石墨和石墨烯的关系
　　而不仅仅是石墨， 木炭、碳纳米管和富勒烯这些碳同素异形体的基本单元同样是石墨烯，他们都由石墨烯构成。 发现的历史
　　石墨烯曾经被学者认为是一种假设性的结构，并不能单独存在。后来这个观点也被证明是错误的，因为在2004年时， 英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆（Andre Konstantin Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Sergeevich ＂Kostya＂ Novoselov）成功地将石墨烯从石墨中分离了出来。 这也就证明石墨烯可以独立存在。
　　将石墨烯分离出来的两位物理学家
　　而石墨烯的发现在更早之前的20世纪初，在 X射线晶体学 创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了：1918年时，学者们详细描述了这种＂石墨氧化物质＂的性质。而利用透射电子显微镜对其进行最早的观察，则是在1948年。
　　由于石墨烯的珍贵性，所以当时的物理学家们也尝试过各种方式来制备石墨烯，最初的方式是所谓的＂ 化学剥离法 ＂，大概就是 将大原子和大分子嵌入石墨，以此来得到石墨层间化合物。
　　而经过化学处理后，可以得到一堆烂泥状的石墨烯，但很难从中分析这堆石墨烯的物理性质。包括之后的＂ 化学气相沉积法 ＂，将石墨烯薄膜的外延成长，但得到的品质并不优良。
　　石墨烯材料制备过程
　　在2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫他们的团队在无意中发现了一种简单易行的制备方法，那就是 贴胶带 。
　　他们将石墨片粘在胶带上，并且折叠胶带粘住石墨片的两侧，撕开胶带后石墨片也就一分为二，不断地重复这个过程，得到的石墨片自然也就越来越薄，直到最后薄的不能再薄，其中只由一层碳原子构成的便是石墨烯。
　　用胶带分离石墨烯层
　　这项发现的重大意义自不必多说，而如今石墨烯的制备方法已经发展地十分完善，基本上不会再出现一群物理学家轮流对着石墨撕胶带的情况了， 制备方式从2008年左右昂贵无比的机械剥离法（头发截面尺寸的石墨烯样本就要1000美元）逐渐发展到碳纳米管切割的方法或是对石墨进行声波处理， 大大提升了试验的成功率以及石墨烯的质量。 抢手的超级材料广阔的应用前景
　　我们在前文中也提到过石墨烯各种优秀的特性： 透明、导热效果极佳、电子迁移率高而电阻小以及其珍贵的独特原子结构 等等。
　　这些特质意味着石墨烯在各个领域都有着相当广泛的应用前景，而且有相当多的科学研究方向都需要石墨烯的帮助。正因如此，很多学者断言， 我们的世界即将进入石墨烯时代。
　　石墨烯的应用前景
　　石墨烯可应用的领域有很多，首先由于其优秀的导电性质和极薄的厚度， 石墨烯是未来发展更薄、导电速度更快的新一代电子器件和晶体管的理想材料 。
　　同样也 适合制作手机或平板电脑的触控屏，甚至是光板和太阳能电池 。而现在石墨烯比较广泛应用的领域就是智能手机屏幕与电池了。
　　而石墨烯独特的二维结构也使其成为了 传感器的理想材料， 别看它薄，它的比表面积可以达到 每克两千六百多平米 ，这样巨大的表面积也使石墨烯对周围环境十分敏感，哪怕是一个气体分子的吸附或释放都可以察觉到电阻的局部变化，而相比其他物质， 石墨烯还有着低噪音与高导电率的优势；
　　基于石墨烯的场效应晶体管应用
　　而石墨烯 极高的载子迁移率 同样使其具备了作为集成电路电子元件的理想条件，不仅如此，石墨烯优秀的导热性还可以应用于 热界面材料 中；
　　极高的表面面积对质量比例可以应用于 超级电容器的电极， 甚至可以应用于 海水淡化与抗癌治疗 ......
　　这样广泛的应用前景也注定了石墨烯得到了全世界的关注，成为各国虎视眈眈的下一个新型资源。
　　各国与石墨烯的故事
　　面对应用前景如此广阔的石墨烯，每个国家都加大了对相关领域研究的投入，以便增强自身在国际间的核心竞争力，新一轮围绕着资源的竞争开始了。
　　国际上对石墨烯的投入多是在 其技术研发与商业化应用 等方面，大家都希望通过石墨烯引发一场技术革命，以改变产业的发展态势。
　　在这场有关石墨烯研究的竞速中，各个国家都使出了浑身解数：欧盟与英国纷纷将石墨烯列为未来技术的新兴项目，并对石墨烯研究项目投入大量资金，已经把握了上游的＂制备＂部分；
　　石墨烯薄膜
　　日本和韩国也早就开始了石墨烯的相关研究，他们各自发挥自身产业优势，分别在 CVD石墨烯薄膜制备与电子元件领域 做出了突破；
　　而美国在他们所掌握的上游＂制备＂基础上更进一步，兼顾了中下游的＂应用研究＂与＂产品生产及运用＂，形成了自身完整的产业链。
　　自2014年以来， 全球石墨烯市场规模呈现爆发性增长。 有专家称石墨烯正处于大规模产业化前夕，而发达国家聚焦石墨烯功能器件研发和应用，在未来5至10年全球石墨烯市场将进入高速发展期。
　　全球石墨烯产业规模在快速上升
　　大家各凭本事，有的将重心放在上游的制备，有人将重心放在产品的开发，而有些人两手都要抓。在这场针对超级材料的战斗中， 中国成功从中突围，并且抢占到了先机。 抢占先机
　　中国可以在这场关于石墨烯的激烈突围战中占得先机，主要原因有三点。
　　其一是因为 我国所发现的石墨烯资源较多，大约占全球已发现总量的70％ ，这也就为我国提供了科学研究与产品研发方面的便利。
　　此外， 中国也是石墨烯行业专利申请数量最大的国家，这意味着我国在石墨烯相关领域中掌握了最大的自主知识产权。
　　中国石墨开采储量
　　其二是因为我国对石墨烯研发领域的高度重视，这一点从2015年的时候我国工信部和科技部联合发布了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》便可以看出来。
　　此次的《意见》是我国在石墨烯领域的第一个国家层面纲领性文件，其中提出了 要将石墨烯尽快实现产业化应用，并早日实现完善的产业体系。 而这样明确的规划对产业也的确有着相当大的带动作用。
　　其三是 中国有着巨大的、不断扩张的产业规模。根据2018年至2019年石墨烯产业相关报告显示，2018年我国的石墨烯产业规模大约达到了111亿元，较2017年的41亿元同比增长了整整58％。
　　2017年中国石墨烯行业产业链数据
　　虽然我国的石墨烯产业仍处于市场导入期，行业利润较低，产品也并不成熟，但 极大的市场增长率有望使中国成为全球最大的石墨烯消费国家。 总结
　　虽然前文中提到过石墨烯未来有着广阔的应用前景，但其目前的产品研发仍有着不小的问题。
　　一个原因是 虽然石墨烯的应用方面较广，但每个方向的产品量产规模较小 ；而另一个原因则是因为 目前市场对石墨烯的需求量并不高，所以采用石墨烯材料制成的锂电池并没有在移动通讯产业掀起技术革命 ，石墨烯现在最大的应用还是在 防腐涂料 上。
　　石墨烯在防腐涂料上的应用
　　但石墨烯是属于未来的资源，只要我们持续地对下游的产品进行研发并提升产品多样性，便可以以石墨烯这一新型材料为引子，进而实现能源与智能硬件技术方面的突破。而这一方面，中国已经迈步在世界前列。