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科普专栏 / Information

石墨烯的时代,还没有到来

问题之一:电学性能。

石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏,电子纸,等等。但是目前而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。诺沃肖洛夫估计这个问题能在十年之内解决。

但是为啥我们不能干脆抛弃金属,全用石墨烯呢?这就是它在电子产品领域里最致命的问题。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上,而它有一个关键属性称为“带隙”:电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间,电流的流动才能有非对称性,电路才能有开和关两种状态——可是,石墨烯的导电性能实在太好了,它没有这个带隙,只能开不能关。只有电线没有逻辑电路是毫无用途的。所以要想靠石墨烯创造未来电子产品,取代硅基的晶体管,我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。目前针对这个领域的研究的确不少:多层复合材料,添加其他元素,改变结构等等;但是诺沃肖洛夫等人认为这个问题要真正解决,还要至少十年。

问题之二:环境风险。

石墨烯产业还有一个意想不到的麻烦:污染。石墨烯产业目前最成熟的产品之一可能是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”,它很便宜,虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端领域,作为电子纸等用途倒是相当不错;可是这东西对人体很可能是有毒的。有毒不要紧,只要它老老实实呆在电子产品里,那就没有任何问题;可是前不久研究者刚发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。虽然现在对它的环境影响下断言还为时太早,但这的确是个潜在问题。

所以,石墨烯的命运究竟如何?

鉴于过去几个月里学界并无新的突破性进展,近日它的这波突发性“火热”,恐怕本质上还是资本运行的炒作结果,应审慎对待。作为工业技术,石墨烯看起来还有许多未能克服的困难。诺沃肖洛夫指出,目前石墨烯的应用还是受限于材料生产,所以那些使用最低级最廉价石墨烯的产品(譬如氧化石墨烯纳米颗粒),会最先面世,可能只需几年;但是那些依赖于高纯度石墨烯的产品可能还要数十年才能开发出来。对于它能否取代现有的产品线,诺沃肖洛夫依然心存疑虑。

另一方面,如果商业领域过度夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫;一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。科学作者菲利普·巴尔曾经在《卫报》上撰文《不要期望石墨烯带来奇迹》,指出所有的材料都有其适用范围:钢坚硬而沉重,木头轻便但易腐,就算看似“万能”的塑料其实也是种种大相径庭的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的作用,但是没有理由认为它能成为奇迹材料、改变整个世界。或者,用诺沃肖洛夫自己的话说:“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现:那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折叠电子产品,可折叠太阳能电池,和超级电容器等等新领域能否发挥它的潜能,就让我们平心静气拭目以待吧。

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