導(dǎo)讀：石墨烯，是人類(lèi)目前已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。
 

　　石墨烯最早在2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫安成功地用微機(jī)械剝離法從石墨中分離出來(lái)，他們?cè)?010年共同憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，自此，石墨烯走入大眾視野。
 

　　據(jù)了解，石墨烯是迄今為止自然界中最強(qiáng)的二維材料，它的結(jié)構(gòu)是完美對(duì)稱(chēng)的六邊形，能夠在受到外力沖擊時(shí)通過(guò)改變形狀來(lái)維持穩(wěn)定；石墨烯的強(qiáng)度為普通鋼材的十倍以上，一平方米的石墨烯吊床僅中0.77毫克，并且能夠承受四公斤的重量；不僅如此，石墨烯中有獨(dú)特的線性電子能帶結(jié)構(gòu)使得它擁有極佳的導(dǎo)電性和透光性，石墨烯傳導(dǎo)的電子是無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，它在石墨烯中遷移速度超快，幾乎沒(méi)有運(yùn)動(dòng)阻力；此外，石墨烯的導(dǎo)熱性優(yōu)于碳納米管和金剛石，擁有良好的導(dǎo)電性。
 

　　石墨烯被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但它卻憑借著高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性等優(yōu)異的性能，被譽(yù)為“改變21世紀(jì)的材料”，在各個(gè)行業(yè)之中大展拳腳，成為材料家族中一顆冉冉升起的“新星”。
 

　　石墨烯在新能源電池上的應(yīng)用(以氫燃料電池為例)
 

　　膜電極組件是燃料電池的“心臟”，由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層和催化劑組成，石墨烯憑借其超高的強(qiáng)度、超強(qiáng)的韌性、超輕的質(zhì)量和超高的透光率在氫燃料電池領(lǐng)域可得到極大的發(fā)揮。
 

　　催化劑可以決定氫燃料電池的壽命和放電性能，傳統(tǒng)的燃料電池催化劑之一是鉑，但因其研究成本相對(duì)較高，且存在著活性不足、耐久性查等問(wèn)題，科學(xué)家一直在努力尋找能夠代替鉑的材料。石墨烯憑借其優(yōu)異的性能“闖”入了能源電池的研究領(lǐng)域，成為熱點(diǎn)。
 

　　研究發(fā)現(xiàn)，將石墨烯自身可以作為一種無(wú)金屬催化劑，在表面修飾后能夠增加負(fù)載金屬納米粒子的錨定位點(diǎn)，是一種良好的非鉑系金屬催化劑載體。日本東北大學(xué)的研究員已經(jīng)成功利用石墨烯作為鉑的替代催化劑，此研究大大降低了氫燃料電池的成本；英國(guó)萊斯大學(xué)的教授利用釕納米粒子附著到石墨烯表面上，結(jié)果表明性其能與傳統(tǒng)鉑相當(dāng)，這兩項(xiàng)研究如果應(yīng)用于市場(chǎng)，將會(huì)提升氫燃料的性能并降低氫燃料電池的成本。
 

　　在燃料電池中，支撐催化劑層和收集電流的結(jié)構(gòu)是氣體擴(kuò)散層，優(yōu)異的排水性、透氣性和導(dǎo)電性是氣體擴(kuò)散層研究的方向。石墨烯作為已知發(fā)現(xiàn)的新材料里導(dǎo)電性最好的材料，也被應(yīng)用于氫燃料電池的氣體擴(kuò)散層領(lǐng)域。浙江大學(xué)高超教授課題組與英國(guó)Northumbria University的Terence Liu博士課題組合作，利用石墨烯氣凝膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料電池中的氣體擴(kuò)散層，此舉將燃料電池的功率質(zhì)量提升了3倍，并減輕了燃料電池的質(zhì)量。
 

　　質(zhì)子交換膜在概念上是將氫燃料電池中氫氣與氧氣完全分隔開(kāi)只允許質(zhì)子通過(guò)的材料，但目前的質(zhì)子交換膜還達(dá)不到裝的要求，石墨烯薄片理論上是非常合適的質(zhì)子交換膜材料，如果能夠被應(yīng)用，那必將從根本上提升燃料電池的性能。
 

　　石墨烯在生物醫(yī)學(xué)生上的應(yīng)用(以氧化石墨烯為例)
 

　　談及石墨烯與生物醫(yī)學(xué)，就不得不談起氧化石墨烯，氧化石墨烯是石墨烯的水溶性衍生物，由于它的多官能化及與各種生物分子的高效表面負(fù)荷，得到了生物技術(shù)領(lǐng)域的廣泛研究，生物醫(yī)學(xué)對(duì)石墨烯研究的主要關(guān)注點(diǎn)在于研發(fā)能夠用于生物分子檢測(cè)的氧化石墨烯生物探測(cè)器設(shè)備、氧化石墨烯的抗菌作用和石墨烯生物安全性研究等。
 

　　生物醫(yī)學(xué)傳感器可以將生物物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并檢測(cè)出來(lái)，墨爾本大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就研制出可以準(zhǔn)確檢測(cè)單個(gè)分子的基于石墨烯的熱電傳感器，該傳感器首先構(gòu)造個(gè)邊緣為氫鈍化的曲折的石墨烯納米帶，再以納米帶的表面接近單個(gè)分子，再進(jìn)行檢測(cè)。
 

　　抗生素的出現(xiàn)讓人類(lèi)對(duì)細(xì)菌感染類(lèi)疾病有了對(duì)策，為很多疾病帶來(lái)了有效的療愈手段，但與此同時(shí)，抗生素的濫用也導(dǎo)致了抗生素的耐藥性和抑菌能力減弱的問(wèn)題。納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，可用于制作安全高效的抗菌劑，氧化石墨烯因在抗菌領(lǐng)域中具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力而得到人們的重視新加坡南洋理工大學(xué)Liu Shaobin等人使用原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯通過(guò)包裹大腸埃希菌阻斷了其與環(huán)境的交互，從而中斷其增殖。
 

　　此外，氧化石墨烯還因其良好的載藥性(表面積大)以及可控靶向(可修飾冠能團(tuán)多)在癌癥藥物遞送領(lǐng)域有著不錯(cuò)的前景。
 

　　石墨烯在材料方面的應(yīng)用(以復(fù)合材料為例)
 

　　石墨烯世紀(jì)應(yīng)用的一個(gè)重要方向是基于石墨烯的聚合物復(fù)合材料，通過(guò)在材料表面添加石墨烯，再加以其他工藝輔助，可以改善聚合物體系的性能和功能，功能化后的石墨烯非常適用開(kāi)發(fā)高性能聚合物復(fù)合材料，如改性塑料、改性樹(shù)脂基體等。
 

　　現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外對(duì)于石墨烯改性塑料的研究主要集中于改善塑料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和阻隔性等方面。塑料作為一種絕緣材料，表面電阻可達(dá)1×1013Ω以上，在防靜電、到點(diǎn)領(lǐng)域鮮少有應(yīng)用，而新興填料石墨烯的電子遷移率非常高，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與聚氯乙烯結(jié)合得到的材料是一種高導(dǎo)電率低逾滲濃度的塑料。另外，將石墨烯與高密度聚乙烯可得到具有優(yōu)異力學(xué)性能和抗靜電性能的永久抗靜電高密度聚乙烯復(fù)合材料。
 

　　在改性樹(shù)脂基體方面，大連義邦引進(jìn)了英國(guó)研發(fā)的一種新型納米石墨烯導(dǎo)電填料，將這種填料與傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂融合后形成了新一代高導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂，將其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的接頭和維修中用作粘合劑使用可增強(qiáng)其導(dǎo)電性，降低飛機(jī)在空中因雷擊所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　石墨烯在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
 

　　在石油化工領(lǐng)域，石墨烯納米材料可以作為井眼強(qiáng)度改進(jìn)劑或鉆井泥漿潤(rùn)滑液，減少鉆孔磨損，增加泥漿穩(wěn)定性，有理論表明，當(dāng)石墨烯納米材料作為鉆井泥漿潤(rùn)滑液使用時(shí)，會(huì)與油發(fā)生反應(yīng)從而增加油的流動(dòng)性，提高原油產(chǎn)量。
 

　　在海水淡化方面，一種新型石墨烯氧化物薄膜被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究出來(lái)，他們通過(guò)控制薄膜膨脹從而控制薄膜上空隙的大小的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)小鹽離子的精準(zhǔn)過(guò)濾，未來(lái)這種技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、市場(chǎng)化。
 

　　綜上所述，石墨烯憑借著其優(yōu)越的性能，除了在新能源、新材料、生物醫(yī)學(xué)、航空航天領(lǐng)域有著廣闊的天地之外，作為“二十一世紀(jì)材料之王”的石墨烯在石油化工、海水淡化等方面也有所應(yīng)用，但石墨烯的應(yīng)用絕不止于此，篇幅有限就不在此多做贅述。
 

　　目前，全球范圍內(nèi)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化還處在初期，主要問(wèn)題集中在上游規(guī)?；苽浼夹g(shù)亟待突破、中游產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，下游也缺乏殺手锏級(jí)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)力，一直沒(méi)有大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如何將石墨烯請(qǐng)出科研院所的“象牙塔”是行業(yè)科學(xué)家正在努力攻克的難題。