“未来的芯片可能会快10倍，这一切都归功于石墨烯”;“石墨烯可用于COVID-19检测”;和“石墨烯允许电池充电速度提高5倍”——这些只是最近一些戏剧性的头条新闻，称赞石墨烯的可能性。石墨烯是一种非常轻、坚固和耐用的材料，由单层碳原子制成。凭借这些特性，难怪研究人员几十年来一直在研究石墨烯可以推动材料科学和技术的发展。
当我告诉人们我研究石墨烯时，我永远不知道会发生什么——有些人从未听说过它，而另一些人则看到了这些头条新闻的某些版本，并不可避免地问：“那么有什么阻碍？
石墨烯是一种迷人的材料，正如耸人听闻的头条新闻所暗示的那样，但它才刚刚开始用于现实世界的应用。问题不在于石墨烯的特性，而在于以商业规模制造它仍然非常困难和昂贵。
什么是石墨烯？
石墨烯最简单地定义为以六边形片状结构键合在一起的单层碳原子。你可以把纯石墨烯想象成一张一层厚的碳薄纸，恰好是地球上最坚固的材料。
石墨烯通常以粉末的形式出现，由小的，单独的片材制成，这些片材的直径大约是一粒沙子。一块单独的石墨烯比一块同样薄的钢强200倍。石墨烯还具有极强的导电性，在高达1，300华氏度（700摄氏度）的温度下保持在一起，可以承受酸，并且具有柔韧性且非常轻便。
由于这些特性，石墨烯可能非常有用。该材料可用于制造柔性电子产品以及净化或淡化水。在 11.5 磅（5 公斤）水泥中加入 0.03 盎司（1 克）石墨烯可使水泥强度提高 35%.
截至 2022 年底，我作为博士研究的一部分与之合作的福特汽车公司是为数不多的在工业规模上使用石墨烯的公司之一。从2018年开始，福特开始为其汽车生产石墨烯含量为0.5%的塑料，将塑料的强度提高了20%。
如何制作超硬材料
石墨烯以两种主要方式生产，可以描述为自上而下或自下而上的过程。
世界上第一张石墨烯片是在2004年用石墨制成的。石墨，通常称为铅笔芯，由数百万张石墨烯片堆叠而成。自上而下的合成，也称为石墨烯去角质，通过从石墨上剥离最薄的碳层来工作。一些最早的石墨烯片是通过使用玻璃纸胶带从一块较大的石墨上剥离碳层制成的。
问题在于，石墨中将石墨烯片固定在一起的分子力非常强，很难将石墨烯片拉开。正因为如此，使用自上而下的方法生产的石墨烯通常有很多层厚，有孔或变形，并且可能含有杂质。工厂每年可以生产几吨机械或化学剥离的石墨烯，对于许多应用（例如将其混合到塑料中），低质量的石墨烯效果很好。
由自上而下的方法制成的石墨烯薄片通常不止一个原子厚，并且具有褶皱和撕裂等杂质，如这张图片所示。图片来源：Дагесян Саркис Арменакович/维基共享资源，CC BY-SA
自上而下的剥落石墨烯远非完美，一些应用确实需要原始的单片碳。
自下而上的合成在几个小时内一次构建一个原子的碳片。这个过程被称为气相沉积，使研究人员能够生产出一个原子厚、直径达30英寸的高质量石墨烯。这产生了具有最佳机械和电气性能的石墨烯。问题在于，通过自下而上的合成，即使是0.00001克也可能需要数小时 - 对于任何大规模用途（例如柔性触摸屏电子设备或太阳能电池板）来说都不够快。
那么阻碍是什么呢？
目前石墨烯的生产方法，无论是自上而下还是自下而上，都是昂贵的，也是能源和资源密集型的，而且生产的产品太少，太慢。
一些公司确实生产石墨烯，并以每吨60，000至200，000美元的价格出售。在这些高成本下有意义的用途数量有限。
虽然少量的自上而下或自下而上的石墨烯可以满足研究人员的需求，但对于公司来说，即使只是新材料原型，应用或制造过程也需要数磅的石墨烯粉末或数百张石墨烯片以及大量的时间和精力。在石墨烯进入福特生产线之前，它花费了大量投资和四年多的研究、开发和优化。
目前的生产几乎无法涵盖实验，更不用说广泛使用了。
改善制造
对于一种自2004年以来一直存在的材料，在扩大石墨烯的生产和实施方面已经取得了很大进展。
有迹象表明，石墨烯开始在商业层面取得突破。有大量与石墨烯相关的初创公司正在研究广泛的用途，从能量存储到复合材料再到神经刺激。特斯拉、LG和化工巨头巴斯夫等大公司也在研究如何将石墨烯用于可充电电池、柔性或可穿戴电子产品以及下一代材料。
石墨烯的突破已经成熟，可以降低成本并扩大生产规模，这是一个学术研究密集的领域。2020年发现的一项新技术称为闪焦耳热，特别有前途。研究人员已经表明，通过任何碳源传递大量电力会将碳 - 碳键重组为石墨烯结构。使用这种方法，可以从任何含碳材料（如煤甚至垃圾）中以相对较低的成本制造出数磅的高质量石墨烯。一家名为Universal Matter Inc.的公司已经在将这一过程商业化。
一旦石墨烯的成本下降，商业应用就会随之而来。对石墨烯的需求是巨大的，但这种材料需要一些时间才能发挥其潜力。
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