科普專欄 / Information

石墨烯的時代,還沒有到來

問題之一:電學性能。

石墨烯一個有前景的方向是顯示設備——觸屏,電子紙,等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個問題能在十年之内解決。

但是為啥我們不能幹脆抛棄金屬,全用石墨烯呢?這就是它在電子産品領域裡最緻命的問題。現代電子産品全部是建築在半導體晶體管之上,而它有一個關鍵屬性稱為“帶隙”:電子導電能帶和非導電能帶之間的區間。正因為有了這個區間,電流的流動才能有非對稱性,電路才能有開和關兩種狀态——可是,石墨烯的導電性能實在太好了,它沒有這個帶隙,隻能開不能關。隻有電線沒有邏輯電路是毫無用途的。所以要想靠石墨烯創造未來電子産品,取代矽基的晶體管,我們必須人工植入一個帶隙——但是簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個領域的研究的确不少:多層複合材料,添加其他元素,改變結構等等;但是諾沃肖洛夫等人認為這個問題要真正解決,還要至少十年。

問題之二:環境風險。

石墨烯産業還有一個意想不到的麻煩:污染。石墨烯産業目前最成熟的産品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”,它很便宜,雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領域,作為電子紙等用途倒是相當不錯;可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊,隻要它老老實實呆在電子産品裡,那就沒有任何問題;可是前不久研究者剛發現它在地表水裡非常穩定、極易擴散。雖然現在對它的環境影響下斷言還為時太早,但這的确是個潛在問題。

所以,石墨烯的命運究竟如何?

鑒于過去幾個月裡學界并無新的突破性進展,近日它的這波突發性“火熱”,恐怕本質上還是資本運行的炒作結果,應審慎對待。作為工業技術,石墨烯看起來還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出,目前石墨烯的應用還是受限于材料生産,所以那些使用最低級最廉價石墨烯的産品(譬如氧化石墨烯納米顆粒),會最先面世,可能隻需幾年;但是那些依賴于高純度石墨烯的産品可能還要數十年才能開發出來。對于它能否取代現有的産品線,諾沃肖洛夫依然心存疑慮。

另一方面,如果商業領域過度誇大其神奇之處,可能會導緻石墨烯産業變成泡沫;一旦破裂,那麼也許技術和工業的進展也無法拯救它。科學作者菲利普·巴爾曾經在《衛報》上撰文《不要期望石墨烯帶來奇迹》,指出所有的材料都有其适用範圍:鋼堅硬而沉重,木頭輕便但易腐,就算看似“萬能”的塑料其實也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會發揮巨大的作用,但是沒有理由認為它能成為奇迹材料、改變整個世界。或者,用諾沃肖洛夫自己的話說:“石墨烯的真正潛能隻有在全新的應用領域裡才能充分展現:那些設計時就充分考慮了這一材料特性的産品,而不是用來替代現有産品裡的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子産品,可折疊太陽能電池,和超級電容器等等新領域能否發揮它的潛能,就讓我們平心靜氣拭目以待吧。

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