序
科学的星空闪耀着你的名字
——石墨烯的诗与远方
2021年2月，一个重磅消息突然刷屏，天才少年曹原及其团队发表了他们的第五篇《自然》（Nature）论文，揭示了“魔角”扭曲三层石墨烯的超导性！此前，他们曾报道扭曲双层石墨烯的独特超导性，即当两层石墨烯扭转成1.1°排列时，就会出现异乎寻常的超导现象，这个角度被称为“魔角”。
这一进展昭示着，石墨烯的星空很深邃，还有很多未被发现的星系。它们在召唤着，召唤着我们插上思想的翅膀，去刻上自己的名字，好比大将军封狼居胥，勒石燕然。在科学的星空，闪耀着无数的星星——那些我们熟悉的科学家，牛顿、爱因斯坦、伽利略、钱学森、屠呦呦，等等。尽管嫦娥五号取回了月球的“特产”月壤，“天问一号”成功着陆火星，但科学的星空依然深邃，未来一定有机会写上你的名字、我的名字、他的名字，更多中国人的名字。
与石墨烯相关的中国故事，可以追溯到900多年前。北宋有个著名人物，叫沈括，被誉为“中国的达·芬奇”，著有一本科技杂谈书——《梦溪笔谈》。该书被英国史学家李约瑟评为“中国科学史上的里程碑”。书中卷二十四·杂志一记载：鄜、延境内有石油……颇似淳漆，然之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑。大意是说在陕西延安一带有石油，看起来像油漆，可以像麻草一样燃烧，燃烧时有浓烟，烟沾之处变成了黑色。如今研究发现，这些超细的烟尘里就含有石墨烯等纳米碳。
石墨烯，可以视为最薄的石墨，也可以理解为由碳原子呈蜂窝状平面排列而成的一张纸。用铅笔写字作画，笔芯就可能摩擦出石墨烯。用胶带反复撕剥石墨块，就可以获得石墨烯。2004年，安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）就用“撕剥”这种简单的办法首次制得了石墨烯，并摘得了2010年诺贝尔物理学奖。对石墨而言，不断将其一半去除，最后剩下一层碳原子，就是石墨烯了。另外，在铜等金属基底上，通过高温裂解甲烷等含碳分子，也可以制备出大面积的石墨烯。
石墨烯无色无味、“多才多艺”，身披多宗“最”。
它至大至微，横向可无限生长，厚度却不足1 nm，大约相当于头发丝直径的十万分之一。
它至刚至柔，可伸展亦可折叠。
它至强至韧，可承重亦可拉长。
它透明如水，却可感知从紫外光到可见光再到红外光和太赫兹的超宽频光波。
它密不透风，只有质子在特定条件下可以通过。
它是最光滑的“溜冰场”，电子轻轻滑过，无拘无束。
强者多厚望。石墨烯被誉为“新材料之王”“改变21世纪的革命性材料”。人类历史经历了石器、陶器、铜器、铁器时代的变迁，现正处在硅时代。下一个时代或称为量子时代，其决定性材料是什么呢？可能就有石墨烯。
事物总是具有两面性，甚至多面性的。具有完美结构的石墨烯，难以大量制得，并且难以加工，具有不溶解、不浸润、不熔化的特点，在许多领域的应用受到限制。这就好比金刚石，尽管其导热性非常好，但由于太硬，难以加工，所以难以大规模应用。因此，氧化石墨烯备受重视。氧化石墨烯可以视为富有含氧官能团和具有孔洞缺陷的石墨烯，较石墨烯而言，尽管结构上存在缺陷，但氧化石墨烯具有易溶解、易加工、易改性、易复合、易量产等诸多优点，且通过化学、热还原、微波等处理，氧化石墨烯的缺陷会被修复，变成结构较完美的石墨烯。此外，借助各种组装方法，石墨烯在分子层面的优秀“基因”能传递到现实的宏观材料中。
石墨烯的性能神奇、应用广泛，但其产业化不能一蹴而就，要经历量变到质变的积累，从顶天立地到铺天盖地，最终实现改天换地。根据科学技术发展规律，石墨烯产业化需要经历“三生”发展路径，即“伴生”“共生”和“创生”。
“伴生”就是石墨烯作为功能助剂或“工业味精”，被添加到高分子、陶瓷、金属等传统材料中，虽然用量较少，但可提升产品性能，增强功能，拓宽用途，如石墨烯功能复合纤维、防腐涂料、散热涂料、导电涂料等。处于伴生发展路径中的石墨烯，现已突破分散技术，实现量产，进入市场推广阶段。
“共生”就是石墨烯作为材料的主要成分，起到功能主体作用，如石墨烯电热膜、散热膜、打印电路、传感器等。处于共生发展路径中的石墨烯，现已进入产业化初期阶段，产品在市场上可见，但市场占比还不大。
“创生”就是石墨烯作为材料的支撑骨架，相较于传统竞品材料，在功能或性能上具有颠覆性，起到决定性或“撒手锏”级作用。如石墨烯燃料电池电极、海水淡化膜、柔性触摸屏、光电子芯片等。处于创生发展路径中的石墨烯，目前还在基础研究或技术研发阶段。
石墨烯的未来已来，石墨烯的远方将至。在此，以一首《“烯”望》畅想石墨烯的无限应用前景：衣住用行玩，智芯能电感，星空天地海，烯用疆无边。“衣住用行玩”，即在日常消费领域用得上石墨烯；“智芯能电感”，即在关键技术领域用得上石墨烯；“星空天地海”，即在国家需求及人类命运共同体需求领域用得上石墨烯。
展望未来，石墨烯和其他新材料的未知世界还很大，我们仍然处在新发现、新发明、新创造的黄金时代。当我们解决了一个科学问题，就点亮了一颗科学之星，人类的文明之路就燃起了一盏航灯。
志之所驱，虽艰必克；梦之所引，虽远必达。仰望，逐梦，科学的星空，一定会闪耀着你的名字！
作者
2022年11月