石墨烯是什么，为什么被称为科学之星？
一.石墨烯的发现
石墨烯是一种新材料，刚发现十几年。我们这里说发现而不是发明，是因为自然界有石墨烯。我们常说，石墨在自然界分布很广。它们是由石墨烯堆积而成的，但人们从未能取出一片石墨烯。只有两位英国科学家成功制备了单片石墨烯，我们才得以深入研究石墨烯。当然，这两位科学家获得了诺贝尔奖。同时，两位科学家制备石墨烯的方法也是一个科学创新的故事。
化学中说到制备，往往是一堆瓶瓶罐罐，各种试剂，通过复杂的化学反应过程，最终得到一种物质。但是石墨烯的初期制备，就像小孩子过家家一样，只用石墨和胶带就能完成。石墨就像是一千层堆叠着石墨烯的蛋糕。如果我们能一层一层地揭开它们，我们就会得到石墨烯。然而，一层石墨烯的厚度非常小，不仅肉眼看不见，在显微镜下也无法分辨。所以不可能像拆粘合剂一样拆。然而，两位英国科学家想出了一个主意，在石墨的两面分别贴上两条胶带，然后揭开它，可以贴上许多层石墨烯。然后用两条胶带粘上，揭开，石墨又变细了。这样反复操作，可以让千层饼一样的石墨越来越薄，最后只剩下一层，就是石墨烯。这样的一片石墨烯是一种类似蜂巢状的细网状结构，业内称之为二维晶体材料。如果我们得到这样的石墨烯，我们可以研究它。很多朋友都听说过这个故事。先简单说一下石墨烯的性质和应用。
二、石墨烯的性质和应用
1.理想的石墨烯材料潜力无限。
石墨烯的第一个特殊性能是其强大的机械性能。总的来说，石墨烯是迄今为止发现的最强的材料之一。同样粗细的钢索和石墨烯制成的绳索，拉断钢索的力量会增加200倍，石墨烯绳索才能被拉断。同时，石墨烯的密度只有钢的三分之一到四分之一。在科幻小说中，太空电梯被视为未来世界的标准，但如何制造这种电梯也是一个难题。如果电梯是钢索驱动的，几百甚至上万公里的钢索都可以在不连接电梯轿厢的情况下自行碾压。最有可能成为太空电梯缆绳的材料是石墨烯或碳纳米管制成的缆绳。
如果用石墨烯做成保鲜膜厚度的膜，会像保鲜膜一样柔软，但要撕开它可不是一件简单的事。有人计算过，如果你想用针尖刺穿一片石墨烯做的保鲜膜，你得在针上站一头大象。同时，完美的石墨烯是一种几乎绝对不透气的材料，即使是最轻的氢气和氦气也无法穿过石墨烯的缝隙。如果你能在未来制造出完美的石墨烯轮胎，你几乎可以永远不需要打气。即使汽车在钉子上滚动，也很难扎破轮胎。当然也不是一直都安全的，时间长了会磨损，会以毒攻毒。换句话说，石墨烯虽然好，但也不是没有瑕疵。
根据这种能力，石墨烯在未来会得到广泛的应用。比如太空领域已经开始规划石墨烯材料做燃料箱，石墨烯做的宇航服会很科幻。
这些应用听起来不错，但离实际应用还很远。因为这里最大的问题是石墨烯的制作。其实石墨烯本身并不难生产。自然界中提取石墨烯的方法有很多。在淘宝上，100多元就能买到一斤石墨烯。但是如果买这样的石墨烯，就做不到上面说的那些事情了。能买到的都是石墨烯粉末，真正的石墨烯薄膜很贵。就像钻石一样，钻石越大越值钱。蜡烛燃烧产生的烟雾中有大量微型钻石。你从来不会想到蜡烛燃烧产生的烟会很贵。同样，石墨烯粉末价格不高，但如果做成大面积的石墨烯薄膜，就有价值了。
现在工业上生产手掌大小的石墨烯薄膜并不容易，因为大石墨烯片的生产并不是压制钢板或者生产塑料薄膜那么简单。石墨烯再大，也是一个分子。众所周知，分子越大越复杂，越难生产。换句话说，石墨烯的产生不是一堆碳原子压出来的，而是化学反应合成的。面积越大，合成难度越大。然而，魔高一尺道高一丈。现在我们有很多方法可以生产石墨烯。2012年，日本索尼公司已经能够生产出宽度为20 cm、长度为100 m的石墨烯复合卷轴，但这种材料的价格几乎与黄金相同。为了使石墨烯在未来得到广泛应用，必须不断降低生产成本。
但即使我们能生产出大面积的完整石墨烯，还是无法做出我们刚刚提到的轮胎。我们理想中的石墨烯是没有缺陷的完美结构，但实际生产出来的石墨烯或多或少都有缺陷，面积越大缺陷越多。大面积的完美石墨烯材料目前还做不到，即使能做到，价格也会高得离谱。一个完美的石墨烯轮胎肯定比最贵的车贵很多，不是我们一般消费者买得起的。东城老师曾经设想过，蜘蛛侠的衣服很可能是石墨烯和碳纳米管做的。有兴趣的朋友可以猜猜衣服是如何用地球上的材料实现蜘蛛侠衣服的那些功能的。找时间，我们来说说实现方法。
2.现实中，石墨烯也有很大的发挥空间。
有的朋友可能会说，好像被忽悠了。石墨烯根本不能应用，也不是这样。石墨烯不仅坚固，还有很多现在可以利用的性质。比如石墨烯的导热性就很强。有多强？我们简单打个比方。在金属界，导热性最强的是银，其次是铜。一般我们的笔记本电脑都是用铜来传递CPU和显卡产生的热量。导热性比银强。如果钻石足够大，有一把小尺子那么长，我们可以用手握住尺子的这一端，用钻石的另一端来融化冰。石墨烯的导热系数是钻石的1.5倍，也就是比钻石强。一些手机厂商已经开始尝试使用石墨烯材料来给手机降温。
此外，石墨烯具有非常好的导电性，是目前最好的半导体材料。此外，石墨烯性质柔软透明，非常适合做柔性器件。例如，通过应用石墨烯材料，可以生产出可以弯曲的太阳能电池板。石墨烯还可以用来制作柔性屏和触摸屏，一举可以克服手机怕摔不能弯曲的缺点，未来可以弯曲的手机会越来越多。目前各国都在攻关石墨烯柔性芯片的问题。一旦研发成功，只能在很多电影里看到的柔性可穿戴设备和透明手机将不再是梦想。中国北京大学的研究团队开发了碳基芯片，并使用碳纳米管作为晶体管。未来的发展方向是开发基于石墨烯的柔性碳基芯片。
石墨烯可用于制造锂离子电池的电极材料。与传统的石墨材料相比，石墨烯的性能要好得多，存储容量更高，使用寿命更长。但石墨烯的成本远高于普通石墨，对电池的成本影响很大。未来石墨烯能否得到广泛应用，取决于石墨烯的生产成本能否大幅降低。石墨烯的导电性可以进一步增强。比如加入一些元素来转化导电性，可以使其成为非常好的导体，或者将石墨烯放入液氦中，可以大大提高导电性。这些都决定了石墨烯将会有非常好的应用前景。
大块的石墨烯用途广泛，但不代表小块的石墨烯没用。先说石墨烯粉末的应用。石墨烯粉末，技术上叫石墨烯粉末，也具有石墨烯的性质，可以广泛应用，而现在，这些应用已经走向市场。
石墨烯粉末仍然具有良好的导电性和导热性，其结构仍然非常坚固，不容易磨损。因此，这类材料常被添加到其他材料中，以增强其他材料的性能。比如可以将石墨烯粉末添加到润滑油中，给工程机械带来更好的润滑效果，减少机械损伤；添加石墨烯的涂料防腐效果更好；添加石墨烯的衣物、油漆或地板，因其导电性，可防止静电积聚；地暖用耐热聚乙烯塑料管中加入石墨烯可以更好的导热，提高热量的利用率；石墨烯加在衣服上，有一定的远红外辐射功能等等。总之，石墨烯粉末可以广泛应用于军事、航空航天、工程机械、家居服、环境治理、医药等领域。后面我们会介绍一些应用场景。
第三，中国的石墨烯技术具有领先优势。
中国作为科技大国，一直注重科技领域的布局。东城老师一直有一个观点，就是虽然我们国家在传统科技领域与西方发达国家有一定差距，但是在很多新兴科技领域，中国是紧跟世界潮流的，甚至在某些领域取得了领先地位。作为爱国者，我们不应该“吃火龙果吐种子”，不要事事苛求完美。
我国在不放松传统科技领域R&D的同时，一直更加重视R&D对新兴技术的投资。比如石墨烯材料领域，虽然是英国最早突破，各国也在研究，但中国的研究成果非常喜人。国家层面对石墨烯材料和稀土材料作为未来发展的重点产业领域，给予了很大的政策支持。据统计，我国科研人员发表的石墨烯相关论文数量居世界第一，比美国还多。专利数量也远超美国，居世界第一。据统计，从2016年到2018年，中国申请石墨烯专利22912件，美国申请841件。数量上，优势还是很明显的。可见国内各行业对石墨烯材料的重视程度。再加上中国巨大的应用市场，未来中国最早完成碳材料革命也就不足为奇了。
在国家政策的引导下，国内大量企业围绕石墨烯材料开展业务和研发，相关产品大量销售。当然，这些产品有的是优秀的功能性产品，给我们的生活带来了便利，有的是炒作石墨烯的噱头，没有宣传的那么神奇。希望大家擦亮眼睛，避免上当。后面我会陆续介绍一些真实的应用，也会反驳一些噱头。