“未来的芯片可能会快10倍，这都要归功于石墨烯”;“石墨烯可用检测”;和“石墨烯使电池充电速度提高5倍”——这些只是最近赞美石墨烯可能性的少数戏剧性头条新闻。石墨烯是一种非常轻、坚固且耐用的材料，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推动材料科学和技术发展的方式。

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，而其他人则看到了这些头条新闻的某个版本，不可避免地会问，“那有什么阻碍呢?”

正如耸人听闻的头条新闻所暗示的那样，石墨烯是一种迷人的材料，但它才刚刚开始用于实际应用。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且昂贵。

什么是石墨烯?

石墨烯最简单的定义是单层碳原子以六角形片状结构键合在一起。您可以将纯石墨烯想象成一层厚的碳薄纸，它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，这些粉末由直径约为一粒沙子的小片组成。单片石墨烯的强度是同样薄的钢片的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)的温度下仍能结合在一起，可以耐酸，并且非常灵活且重量轻。

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(5千克)的水泥中添加仅0.03盎司(1克)的石墨烯，就能使水泥的强度提高35%。

截至2022年底，福特汽车公司是少数几家在工业规模上使用石墨烯的公司之一，我曾在该公司进行过博士研究。从2018年开始，福特开始为其车辆生产石墨烯含量为0.5%的塑料——将塑料的强度提高了20%。

如何制作超级材料

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于2004年由石墨制成。石墨，通常称为铅笔芯，由数百万个石墨烯片层叠而成。自上而下的合成，也称为石墨烯剥离，通过从石墨上剥离尽可能薄的碳层来工作。一些最早的石墨烯片是通过使用玻璃纸胶带从较大的石墨片上剥离碳层而制成的。

问题是石墨中将石墨烯薄片固定在一起的分子力非常强，很难将薄片拉开。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——比如将其混合到塑料中——质量较低的石墨烯效果很好。

自上而下的剥离石墨烯远非完美，一些应用确实需要原始的单层碳。

自下而上的合成在几个小时内一次构建一个原子的碳片。这种称为气相沉积的工艺使研究人员能够生产出一个原子厚、最大30英寸宽的高质量石墨烯。这会产生具有最佳机械和电气性能的石墨烯。问题是，如果采用自下而上的合成方法，即使合成0.00001克也可能需要数小时——对于任何大规模应用，例如柔性触摸屏电子产品或太阳能电池板，速度还不够快。

那么阻碍是什么?

目前的石墨烯生产方法，无论是自上而下还是自下而上，都非常昂贵，而且能源和资源密集，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美元至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，即使是新材料的原型制作过程、应用或制造过程也需要许多磅的石墨烯粉末或数百张石墨烯片和大量的石墨烯。时间和精力。在石墨烯进入福特生产线之前，需要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覆盖实验，更不用说广泛使用了。

改善制造业

对于一种自2004年才问世的材料，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着眼于广泛的用途，从储能到复合材料再到神经刺激。主要公司——如特斯拉、LG和化工巨头巴斯夫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。

石墨烯的突破时机已经成熟，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，称为闪光焦耳加热，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都会将碳-碳键重组为石墨烯结构。使用这个过程，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许多磅的高质量石墨烯。一家名为UniversalMatterInc.的公司已经将这一过程商业化。

一旦石墨烯的成本下降，商业应用就会随之而来。石墨烯的需求量很大，但这种材料要发挥其潜力还需要一些时间。