石墨烯是什么以及有哪些用途？

石墨烯似乎是各行业新技术开发中最有前途的材料之一。它于 2004 年的发明为 Andrei Gejm 和 Konstantin Novosiol 带来了诺贝尔物理学奖。国际项目“石墨烯旗舰”由欧盟发起，旨在开发这种不寻常结构的进一步商业应用。

石墨烯是什么以及它来自哪里
石墨烯的突破性特征主要在于其二维性。从物理上讲，它是一层以六角形图案排列的单个碳原子，在视觉上类似于蜂窝。因此，石墨烯是碳的同素异形体。

20 世纪 40 年代，菲利普·拉塞尔·华莱士 (Phillip Russel Wallace) 提出了创建单原子碳结构的理论概念。然而，这个想法多年来一直被大多数科学家拒绝。直到六十年后，它才可以变成真实的、有形的材料。

曼彻斯特大学的 Gejm 和 Nowosiolow 两人通过使用胶带将碳原子转移到二氧化硅 (SO 2 )层上，成功地将石墨烯从一块石墨中分离出来。二氧化硅在这个过程中发挥了重要作用，它隔离了带有中性电荷的石墨烯层。该方法目前仅小规模用于研究目的。

石墨烯的不寻常特性
这种超薄碳原子层为何令科学界着迷？石墨烯已被证明是一种极好的热和电导体。它还具有低主动电阻的特点。从这方面来说，它是铜和硅的竞争对手。

在室温下，石墨烯电子表现出其他材料前所未有的迁移率。它们的速度高达光速的 1/300，为诊断应用开辟了有趣的可能性。

石墨烯几乎是透明的——它吸收 2.3% 的白光。因此，其非凡的电学潜力与光学潜力齐头并进。尽管石墨烯结构极薄，但其强度却比钢高 100 倍。同时，它保留了高水平的灵活性（长度或宽度上的拉伸性高达 20%）。

氧化石墨烯膜完全不透气，但透水，因此可用于过滤。该材料的抗菌性能也值得注意。

石墨烯前景——在各行业的应用
石墨烯的电子、光学、热学和机械性能为其许多实际商业应用打开了大门，据专家称，这些应用将在未来几十年内蓬勃发展。

如今，石墨烯已被认为是电子领域硅的继任者。这种透明柔性导体可用于制造光伏电池、可卷曲显示器和触摸板以及 LED 灯。它还显着提高了电磁信号的频率，从而能够生产更快的晶体管。

石墨烯传感器也引起了相当大的兴趣。由于具有出色的灵敏度，它们可以检测有害物质的单分子，从而更容易监测环境。分布在空气中的氧化石墨烯还具有去除放射性污染物的能力。

用石墨烯开发新产品的前景逐年增加现有最具潜力的应用包括：

现代电网；
节能光源；
用于自旋电子器件的半导体；
更有效的防腐涂层；
用于净化和脱盐的水过滤；
光电通信系统。

此外，还有人猜测石墨烯有望用于生产汽车、飞机、船舶和设备的更轻、更耐用的结构部件。与人造材料（例如橡胶）结合，它可以用来制造导热橡胶等。基于石墨烯，一种非常坚固的导电纸已经被开发出来。

生物相容性石墨烯——医疗应用
值得注意的是石墨烯在生物医学领域的可能性，包括诊断和治疗领域。作为药物载体，氧化石墨烯具有生物相容性高、溶解性优异的特点。这使得抗炎剂和抗癌剂以及酶和矿物质的精确剂量成为可能。

由于石墨烯是一种完美的热导体，因此它也可用于破坏癌性肿瘤。热损伤现象可以利用其积累的热量来减轻组织疼痛。加热医疗配件和服装的生产工作已经开始。

石墨烯片还用作生物传感器，可以帮助使用便携式设备诊断癌症和神经系统疾病（例如癫痫或帕金森病）。波兰人开发的石墨烯探针有望从心脏水平进行测量，从而彻底改变心电图测试。

石墨烯的抗菌特性也为解决细菌对抗生素日益不敏感的危机提供了机会。石墨烯可用作开发用于局部感染控制和伤口消毒的药剂的基础。

在组织工程中使用石墨烯的可能性看起来非常有希望。创新碳脚手架的机械强度极高。研究表明它可以加速干细胞分化并促进更快的恢复。

石墨烯生产
自2014年以来，石墨烯已大规模生产用于商业用途。新的微机械技术使材料的价格大幅降低。目前，其主要生产国是美国和中国，在那里可以找到大量廉价的非晶石墨。

在电子领域，优质石墨烯必须由质量足够的石墨生产，这需要通过特殊加工获得扁平、有序的晶体。那么材料的价格相应就更高。

韩国研究人员成功开发出一种通过化学气相沉积（CVD）生产石墨烯的高效且经济的方法。该解决方案的缺点是材料质量较低且缺陷发生频率较高。然而，在某些应用中，这不会造成问题。

波兰人还为石墨烯生产创新方法的发展做出了贡献。华沙电子材料技术研究所拥有生产碳化硅材料的专利。2015 年，波兰罗兹大学的研究人员开发了一项突破性的 HGSM 技术，能够利用液相生产高质量的大幅面纸张。

石墨烯安全吗？
作为一种相对较新的材料，石墨烯对人类健康可能产生的影响提出了可以理解的质疑。甚至有人声称，石墨烯的轻薄结构很容易进入肺部，造成的威胁可与灰尘甚至石棉纤维相媲美。中国的研究甚至表明，二维碳纳米颗粒可以沉积在内脏器官中。

理论上还存在一个风险，即石墨烯进入地表水和地下水可能对植物和动物有害。细颗粒会沉积在水体边缘并增加水的硬度。

然而，根据目前的了解，石墨烯无毒，对有害物质没有亲和力。其数量以及潜在的暴露量也极低，甚至可以忽略不计。与皮肤接触时，它不表现出刺激性。此外，国际研究表明吸入不会引起不良免疫反应。

科学界普遍认为需要进一步研究石墨烯的特性和应用，包括其安全性。这将允许优化创新材料的使用方法，以期对人类和环境产生长期影响。