煎蛋科学第6期：石墨烯好用吗？

第6期，2018年9月23日，石墨烯好用吗？

每年科学界最重要的一件事莫过于诺贝尔奖颁奖典礼，其实除了备受关注的诺贝尔奖，还有一个搞笑诺贝尔奖。颁奖者都是货真价实的诺贝尔奖得主，获奖者也都非常乐意去领奖，尽管没有奖金，往返还需要自费。研究的主题都是表面上搞笑实际上却能发人深省。比如上周刚颁布的2018年搞笑诺贝尔化学奖，就颁给了一个关于人类唾液可作为肮脏物体表面的良好清洁剂的研究，经济学奖则颁给一个关于扎小人诅咒老板能缓解公司员工焦虑情绪的研究。这让我想起了多年前的一位也是唯一的一位，即获得搞笑诺贝尔奖，又获得诺贝尔奖的科学家，Andre Geim，他凭借高强磁场悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔物理奖，然而在完全不同的一个领域，凭借制备石墨烯获得诺贝尔物理奖。

盖姆获得诺贝尔奖已经是8年前的事了，这八年来，石墨烯的应用飞速发展，许多著名的论文期刊没事就刊登关于石墨烯的论文。石墨烯为什么能够得诺贝尔奖？关于这个问题该去哪儿找答案，我希望大家能够形成的一个脑回路是，该去问诺贝尔奖官方网站（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/press-release/），而不是去搜索出一堆网友关于石墨烯到底好不好的回答或者石墨烯保暖衣的广告。官方网站给出的解释是，Using regular adhesive tape they managed to obtain a flake of carbon with a thickness of just one atom. This at a time when many believed it was impossible for such thin crystalline materials to be stable. However, with graphene, physicists can now study a new class of two-dimensional materials with unique properties. 我非常喜欢这一段话的英文原文，因为这段话把石墨烯的贡献描述的十分到位。第一，两位科学家用胶带把石墨烯从石墨上面粘了下来，石墨烯只有一层原子那么厚，而且非常稳定，这和之前的理论预测是不符的。之前的理论预测是不能得到完全二维的，也就是一层原子厚度的稳定晶体。第二，由于有了石墨烯，物理学家们现在可以开始一些全新的关于二维材料物理特性的研究。can now study，就是说现在还没什么人研究这些物理特性，因为有了石墨烯，物理学家又有了新的玩法，可以研究这些物理特性了。所以其实这个获得诺贝尔奖的重要发现，主要是成功实验获得了石墨烯这么一种稳定的二维晶体结构。这也是石墨烯获得物理奖，而不是化学奖的原因。

既然提到了二维材料的新特性，诺贝尔奖官方也给出了一些可能的应用。第一个应用，因为石墨烯独特的能带间隙，于是人们预测石墨烯可能是一种比硅更好的晶体管的材料。晶体管方向的应用研究已经有些不错的结果，基于石墨烯的场效应晶体管也提供了石墨烯电路的基础（PMID: 18989330）。第二个应用，因为石墨烯的超强导电和导热特性，也可以用来做液晶屏或者太阳能板。比如清华大学的吴德海博士将石墨烯和传统硅材料结合生产出一种复合光伏器件，用于光电转化效果非常好（https://doi.org/10.1002/adma.200904383）。第三个应用，石墨烯可以跟高分子材料混合起来形成复合材料，可以让材料的导电性和机械强度增强。去年发表在材料科学进展的一篇综述文章（https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004）就概括了很多这方面的研究。塑料可以导电，衣服可以更耐穿，想想也是很带感。

既然说到了石墨烯，就不得不说到炒得很火的石墨烯袜子和石墨烯保暖衣。石墨烯袜子号称可以防臭，这一点我毫不怀疑。第一，石墨烯要混纺，一般都是选用一些高级化学纤维。这些纤维材料本身吸湿性不会很强，所以不容易滋生细菌。第二，作为二维材料石墨烯的比表面很大，也能够吸收一些有异味的硫化物。但是问题是，是不是需要用到石墨烯。比表面大的且便宜的材料多了，只要是个纳米材料，不管是纳米管，纳米线还是纳米片，都有足够大的比表面，用来吸味不好么？而且一双添加石墨烯的袜子卖30块钱，我感觉里面加的是铅笔芯。。。石墨烯保暖内衣就更有意思了，主要分两种：第一种说石墨烯混纺的布料热阻大，可以用来保温。关于石墨烯复合材料，我们通常熟知的是其导热或者散热能力（doi:10.3390/polym9090437）。所以我相信这衣服穿着如果真的保温，里面应该还加了鸭绒。另外一种是说石墨烯复合材料导热好，所以通电加热这种保暖衣可以使得加热更均匀。这挺合理啊，以后出门带个充电宝，既可以给手机充电，又可以给衣服加热。冬天就穿这么一件石墨烯单衣，打球特别方便，一起跳电源掉出来了，是不是瞬间冻成狗。

今天给大家讲了石墨烯，不吹不黑，石墨烯未来的用途很广，但是很多用途有待深入研究。关键想告诉大家的是，不管石墨烯是否能作为一种有用的新材料，石墨烯得的诺贝尔物理奖，石墨烯只要稳定存在就能得奖，根本不需要证明自己有用。中秋佳节，跟大家讨论石墨烯呢，虽然不是很应景，不过如果有亲戚朋友来送礼如果不是送的月饼，而是送的石墨烯保暖内衣，你就要考虑春节是不是回送一双30块的石墨烯袜子了。石墨烯就像另外一个火的概念大数据一样，不说自己懂都不好意思跟人打招呼，但是真正懂得人其实并不多，希望收听了这期节目的听友们能够对石墨烯有一个清晰的认识。今天的煎蛋科学就到这里，我们在之后的节目中会讲大数据，因为团队里几乎所有人都有大数据背景。如果你喜欢我们的节目，请推荐给对科学有同样爱好的朋友，感谢大家收听，我们下期再见！