在節(jié)目一開始，咱們先在腦海中想象幾種場(chǎng)景：比如使用的手機(jī)是超薄可折疊的；當(dāng)手機(jī)沒電時(shí)，只需充上幾秒鐘，電量就滿了，能連續(xù)使用半個(gè)月；駕駛的環(huán)保節(jié)能汽車只用充電幾分鐘，就能行駛上千公里。?

　　這樣的場(chǎng)景是不是很科幻？其實(shí)，在不久的將來，這些承載著人們無數(shù)想象的高科技都有可能成為現(xiàn)實(shí)，甚至更加令人震撼。而想要成功研究制造出這些神奇的高新產(chǎn)品，新材料石墨烯就是其中必不可少的組成部分。?

　　石墨烯的出現(xiàn)可以說是給科學(xué)界帶來了巨大反響，首先我們先來聽聽石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的。?

　　2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過“機(jī)械剝離法”來獲取到石墨烯。簡(jiǎn)單來說，就是利用日常生活中的膠帶，黏住一些大的石墨薄片后，在襯底表面反復(fù)地“揭開”，最后總能找到一些單層的石墨烯。?

　　聽過石墨烯的提取方法，或許你難以置信，但石墨烯的確是從石墨材料中發(fā)現(xiàn)的，我們也可以把石墨材料看作是由石墨烯層層堆疊而成的。這是因?yàn)槭┦墙Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的碳材料，它可以薄到只有一個(gè)碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片中甚至能剝離出300萬層石墨烯，因此石墨烯也被人們稱作是“單層石墨”。?

　　除了石墨烯很薄之外，它還具有透明不透氣的特性、非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵一百倍以上的強(qiáng)度、異常的整數(shù)量子霍爾行為、電子的遷移速率僅為光速三百分之一等等優(yōu)點(diǎn)。也正是擁有這些優(yōu)異性能，才會(huì)使得它在柔性觸摸屏、光電探測(cè)器、新型晶體管、太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏等方面都有著良好的應(yīng)用前景。?

　　石墨烯作為“新材料之王”，全球各個(gè)國(guó)家都在對(duì)它進(jìn)行探索與研究。中國(guó)雖然不是第一個(gè)研發(fā)出石墨烯的國(guó)家，但在石墨烯的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也都獲得了豐碩成果，形成了40多種新材料，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)。而在這輝煌的背后，則有很多中國(guó)科學(xué)家們與石墨烯共同創(chuàng)新開拓的故事。?

　　2017年10月，上海大學(xué)吳明紅科研團(tuán)隊(duì)的論文《通過離子控制石墨烯氧化膜層間距實(shí)現(xiàn)離子篩分》在《自然》雜志上發(fā)表，引起了世界矚目。這是國(guó)際上首次提出可以通過溶液中的離子精確控制石墨烯氧化膜的層間距，控制精度達(dá)到十分之一納米。并在2019年1月，上海大學(xué)牽頭完成的“石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其表界面效應(yīng)研究”獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。?

　　要知道，獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)的都是基礎(chǔ)研究成果，那么上海大學(xué)是如何推動(dòng)這類成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的呢？?

　　原來早在2016年，上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)就開始關(guān)注上海大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文，并進(jìn)行了持續(xù)深入的交流。到了2018年5月，上海大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在校園里成功完成了石墨烯復(fù)合材料治理小型水體試驗(yàn)，這是“精確控制石墨烯氧化膜層間距”成果的一個(gè)轉(zhuǎn)化應(yīng)用方向。?

　　據(jù)上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院唐量教授的介紹，石墨烯與人為加工出來的新型微生物，也就是工程菌相結(jié)合的話，就會(huì)具有“1+1>2”的治水效果。?

　　一方面，石墨烯可以憑借著巨大的比表面積和一定的催化活性，對(duì)水體污染物進(jìn)行吸收并降解部分有機(jī)分子；另一方面，工程菌還能以石墨烯材料為載體生存繁衍，不斷分解水體污染物，并把石墨烯吸附的有機(jī)碳污染物作為“食物”進(jìn)行消除。這一過程是從生物鏈底端開始修復(fù)水生生態(tài)環(huán)境，對(duì)水體及水生生物無毒無害，不會(huì)造成二次污染。?

　　既然理論研究上是成立的，而且小型水體實(shí)驗(yàn)也取得了成功，因此科學(xué)團(tuán)隊(duì)決定用這種新技術(shù)治理河道，想要知道會(huì)有什么樣的效果。于是在校內(nèi)試驗(yàn)結(jié)束后，便立即與上海寶山區(qū)科委和城市工業(yè)園區(qū)管委會(huì)溝通，啟動(dòng)了河道治理示范工程。?

　　2018年6月底，上海大學(xué)領(lǐng)到一項(xiàng)艱巨任務(wù)，那就是治理園區(qū)內(nèi)污染最嚴(yán)重的小孟家宅河。?

　　當(dāng)時(shí)正值盛夏，小孟家宅河散發(fā)著陣陣臭味。然而示范工程團(tuán)隊(duì)沒有絲毫怨言，把一桶桶含有石墨烯復(fù)合材料的微生物制劑運(yùn)到河畔，定時(shí)定量注入河中。他們還在河中安裝了多臺(tái)水泵，讓石墨烯工程菌復(fù)合材料流到河道的各個(gè)地方。?

　　事實(shí)證明他們的努力沒有白費(fèi)，在治理小孟家宅河一個(gè)月后，河道里的藍(lán)藻和臭味都消失不見了，氨氮含量從每升13.6毫克降到了每升1.5毫克，透明度從20厘米升至90厘米。當(dāng)?shù)卮迕窀切χ鴮?duì)科研人員說：“這條河恢復(fù)到了30年前我小時(shí)候的模樣?！?

　　初戰(zhàn)告捷后，這項(xiàng)治理河道的新技術(shù)在理論與實(shí)踐相結(jié)合的情況下，取得了成功并讓水體治理新技術(shù)快速在其他地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，助力我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)。?

　　不過，石墨烯新材料的轉(zhuǎn)化方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止水體治理這一種。中國(guó)科學(xué)家憑借著精確控制石墨烯氧化膜層間距技術(shù)，還研制出了鈉離子電池的石墨烯負(fù)極材料。?

　　與傳統(tǒng)電池負(fù)極材料相比，這種材料能儲(chǔ)存大量鈉離子，大幅提高電池容量，且安全性更高。由于巨大的應(yīng)用前景，鈉離子電池問世后，將有望在電網(wǎng)發(fā)電端、配送端、使用端投入使用。?

　　事實(shí)上，石墨烯還有很多衍生產(chǎn)品，例如軍用領(lǐng)域的防彈材料、飛機(jī)零部件，民用領(lǐng)域的空氣凈化口罩、黑色染發(fā)劑等等。?

　　就拿“染發(fā)”來說吧，人們的毛發(fā)外部都有一層角質(zhì)層，它們是由類似鱗片狀的細(xì)胞重疊而成的。當(dāng)給頭發(fā)進(jìn)行染色時(shí)，就必須先用化學(xué)物質(zhì)打開這些鱗片，以便把染料藏在里面，這也就是為什么頭發(fā)染得越頻繁，它可能造成的傷害就越大，因?yàn)檫@時(shí)的頭發(fā)會(huì)變得干枯而脆弱。?

　　而如果用石墨烯材料生產(chǎn)的染發(fā)劑，就會(huì)避免頭發(fā)干枯的情況發(fā)生。據(jù)科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的薄片狀結(jié)構(gòu)會(huì)讓石墨烯不滲透進(jìn)頭發(fā)，而是像一次性染發(fā)劑那樣，用噴涂的方式覆蓋在頭發(fā)上。但不同之處在于，石墨烯染發(fā)后，發(fā)色停留的時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以認(rèn)為是接近永久性的，至少可以持續(xù)30次一次性染發(fā)劑的時(shí)間。?

　　不過，值得注意的是，雖然科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，但由于它仍然還處在研究階段，且成本較高，因此目前人們并不能在超市的貨架上找到它們。?

　　總的來說，石墨烯的研究與日常生活的聯(lián)系越來越緊密，并且隨著我國(guó)對(duì)新材料領(lǐng)域的大力支持，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常巨大的前景。在中國(guó)科學(xué)院院士劉忠范看來，石墨烯主要有三種發(fā)展前景：?

　　第一個(gè)是“碳纖維模式”。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，碳纖維已經(jīng)成為航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域的“重量”級(jí)材料。理論上來說，石墨烯材料在很多方面都要比碳纖維優(yōu)秀，如果能夠在材料制備上做到極致，未來的石墨烯材料必將成為某些領(lǐng)域“殺手锏”級(jí)別的存在。?

　　第二個(gè)是“塑料模式”。100多年前，人們發(fā)明了塑料，給人類生活帶來了極大的便利；而現(xiàn)在石墨烯更是擁有著很多優(yōu)異的性能，顯示出極為廣闊的應(yīng)用前景，在不遠(yuǎn)的將來，或許能夠像塑料一樣，浸透到人類生活的方方面面。?

　　第三個(gè)是“硅材料模式”。硅是集成電路的核心材料，硅材料把人類帶入了信息化時(shí)代，極大地改變了人類的精神生活；而石墨烯的載流子遷移率遠(yuǎn)高于硅材料，有望成為下一代集成電路的支柱材料，或許未來的某一天，人類就會(huì)進(jìn)入“石墨烯時(shí)代”。?

　　由于石墨烯具有非常優(yōu)異的物理特性，所以科學(xué)家們都對(duì)它的應(yīng)用給予了厚望。但目前來說，石墨烯的很多應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)室層面，想要真正形成產(chǎn)業(yè)，不斷地有新產(chǎn)品研發(fā)出來，還要科學(xué)家們努力地探索和研究石墨烯背后的種種奧秘。相信在不久的將來，與石墨烯有關(guān)的新技術(shù)、新發(fā)明都會(huì)走進(jìn)人們的日常生活，給人類帶來巨大福音。?



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)