石墨烯被誉为“21世纪最重要材料”，厚度只有一张纸的几百万分之一，却拥有比铁强200倍的纳米级强度。但同时，它又像柔韧的橡胶，具备较强的伸缩性；它对气体和液体具有极强的防渗透性且拥有优于铜的导热导电性能。这种“神奇材料”是物理学家安德烈·海姆在2004年发现的，他和物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫因为这个发现获得了2010年诺贝尔物理学奖，被誉为“石墨烯之父”。

近日，安德烈·海姆来到中国参加2023腾讯科学WE大会，现场讲述了他和同事们通过“撕胶带”获得石墨烯的经历，并带观众窥探其神奇的特性。在接受羊城晚报·羊城派等媒体采访中，他还分享了更多科研背后的故事。

石墨烯介绍

碳在自然界中的存在形式主要包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的金刚石与石墨。自2004年石墨烯被发现以来，由于它优异的物理和化学性能，逐渐成为当下新型材料研究的热点。石墨烯是目前发现的所有材料中，最理想的二维纳米材料。而且，与同为碳纳米材料的碳纳米管相比，石墨烯的制备更加多样化，应用更加广泛。

石墨烯的厚度仅为0.35 nm，是迄今为止发现的最薄的二维材料。由于石墨烯的结构的特殊性，使得它具有非常优异的力学性能。例如，它的抗拉强度是已知所有材料中最高的，可以达到130 Gpa，其导热系数可达4.84×103～5.3×103，相当于碳纳米管的极限导热系数；其载流子迁移率高达15 000 cm2·V-1s-1，是目前已知迁移率最高的，可以达到商用硅片的10倍以上。

研究没有人研究过的领域

因在磁悬浮、壁虎胶带和石墨烯三个前沿研究方面的贡献，安德烈·海姆被评为世界上最活跃的科学家之一。他总是试图找到一些无人发现的事物，也经常从一个研究领域跳到另一个研究领域。

只专注于一个学科领域研究比较好，还是跨学科研究更好？“读博士时我就专注于一个非常狭窄的研究领域，但除了我的上司几乎没人对这项研究感兴趣，从科研角度看其实是在浪费时间，但对我来说也是一次很有用的经历。”安德烈·海姆回忆道，那段经历让他充分感受到了科学的氛围，掌握科学运作的规律。

“在那之后，当我的研究不再是一份谋生计的工作时，我开始思考周围有什么不寻常的地方，没有人研究过的领域。于是我开始从一个课题跳到另一个课题，从超导现象到磁悬浮，再到壁虎胶带，有些发现发表了，还有些发现从未发表过。”至于是专注还是跨学科开展研究，安德烈·海姆认为，“需要把两者结合起来，既要有某个领域的专长，也要往不同的方向尝试探索。当你在一个领域已经站稳了脚跟，可以尝试跳到其他领域，或许就会有新的发现。”

科研需要专业的好奇心

在很多人的印象中，物理学家常常是很严肃的样子。安德烈·海姆并非如此，甚至有时会有些“调皮”——他曾将一只青蛙放到磁场中，并调整磁场强度让它悬浮在空中——这一实验还让他获得了“搞笑诺贝尔奖”，他也是至今唯一一个同时获得过“搞笑诺贝尔奖”和诺贝尔奖的双料“诺奖”获得者。

在安德烈·海姆看来，“幽默是一种保护自己的方式”：“微笑着面对一切，也许这不能帮你获得诺贝尔奖，甚至‘搞笑诺贝尔奖’，但它可以让你的生活变得更好。不要把每件事都搞得很严肃，特别不要对自己过于严肃。”

安德烈·海姆的生活里不只有微笑，还有好奇心，“好奇心会让你的生活更有趣”。与此同时，好奇心对于科学研究也很重要。“但只拥有好奇心却不继续进行研究的话，也不能拿到诺贝尔奖。”安德烈·海姆说，“要区分随机的好奇心和专业的好奇心，比如我可以很好奇月球上发生了什么，但这对我的研究没有什么帮助，要将好奇心集中在自己的研究领域。”

石墨烯仍是年轻材料

在石墨实验中，人们常常先用胶带把石墨上的杂质粘掉，留下干净的表面再进行后续试验。安德烈·海姆就对被丢进垃圾桶里的胶带产生了好奇，通过在显微镜下观察被丢弃的胶带并不断重复粘胶带的过程，最终成功分离出了单层石墨烯。

仅仅是发现石墨烯还不够，安德烈·海姆和研究团队还开展了一系列后续研究，“这一材料可在未来10到20年带来诸多行业的革命”。安德烈·海姆透露，其团队与来自中国深圳的研究人员合作，成功将石墨烯作为“点金石”，从只含有十亿分之几黄金的废料溶液中提取出黄金。

对于石墨烯的应用前景，安德烈·海姆说：“一种材料从在实验室被发现到真正影响人们的生活，需要很长一段时间。从这个方面来说，石墨烯还是一种非常年轻的材料。目前我们正处在通过添加石墨烯来改善现有产品的阶段，石墨烯更多是作为添加剂使用，这不是革命性的进步，但是非常重要的进步。我们可以想象的不仅是更小的晶体管，或许是透明、可弯曲的电子产品，我个人认为使用二维半导体，比如与石墨烯结合，是可以实现的。所以说，真正的二维材料‘革命’还没有到来。”

安德烈·海姆在回答记者提问时举例称，石墨烯在10到15年前实现从学术到工业的应用，中国成千上万家公司也在试图寻找这种材料的用途，其中就包括电动汽车领域，比如中国浙江一家公司尝试通过添加石墨烯来改进电池产品的性能。他指出，作为材料添加剂在工业中使用，石墨烯目前没有带来革命性的改变，但它对产品性能的提升仍达到几十个百分点的效果。

安德烈·海姆认为这些改进同样重要，“虽然它没有带来十倍，甚至两倍的变化，就算只有这10%至30%的提升，对我们的生活也有所改善。”他仍以石墨烯对电池的改良为例进行说明，在电动汽车电池材料中加入石墨烯，能够实现增强汽车续航能力和让电池在低温状态下工作的效果。

安德烈·海姆不认为石墨烯能够完全替代其他电池技术，它对电池技术是一种渐进的改进，“现在我们谈论的已经不是‘全新的技术’，而是在讨论‘改进现有技术’”。他表示，电池技术在过去50到60年的时间里得到较为完善发展，人们对锂电池也很熟悉，即使它在现有基础上只提升10%，也是一种明显的进步。“我相信这些电池还有进步空间，但也存在一定的局限，不过人们最终都会努力改进技术和产品的各个方面。”

石墨烯的应用

1、石墨烯复合材料

石墨烯由于其疏松多孔的结构、高导电率和高材料强度，所以可以和其他不同性质的材料结合，形成复合材料。王昭等通过用水热法制备Ti O2/石墨烯复合材料，来克服催化剂纳米TiO2在光照下容易分解的缺陷通过实验发现，TiO2/石墨烯复合材料可以在可见光下正常工作，而且催化降解有机物的效率明显高于纳米Ti O2。陈宇飞等基于双马来酰亚胺易断裂、韧性差等缺点，制备了包覆SiO2的石墨烯/双马来酰亚胺复合材料。通过实验发现，该复合材料的力学性能在原来的基础上有了进一步的提高，与原材料相比，冲击强度为23.0 kJ/m2，提高了150%，弯曲强度达到157.4 Mpa，提高了58%。

2、石墨烯电子元器件

石墨烯的超高电子迁移率、比表面积和机械性能表明，它是一种非常理想的纳米材料，特别是用于晶体管和集成电路等微电子元件。美国林宇等成功制造出第一个石墨烯晶体管，该晶体管可以在100 GHz的频率下正常工作；之后，他们成功组装了第一个石墨烯集成电路，其混合频率可达10 GHz，并能承受125℃的高温。

3、石墨烯储氢材料

氢能被认为是一种环保、高效且无污染的新型能源，氢的特点有质量轻、导热性好、普遍存在和热值高等特点，尤其是在化石能源日益枯竭的今天，对于储氢方面的研究显得尤为重要。石墨烯因为其优良的性能、较大的比表面积和超高的力学强度，被认为是一种理想的储氢材料，但纯石墨烯对氢的结合能范围为-0.09～-0.01 eV/H2，然而储氢材料对氢的结合能范围应为-0.6～-0.2 eV/H2，因此，许多研究人员采用修饰石墨烯的方法，使石墨烯与氢的结合能满足要求。Kim等研究用Li掺杂在石墨烯中，石墨烯对氢的结合能达到-0.35～-0.2 eV/H2之间。Ma等研究了用Ca掺杂在石墨烯中，发现，Ca修饰的石墨烯吸附能力可以达到-0.39～-0.17 eV/H2。王敬等[进行了钪修饰多孔石墨烯的研究，发现，单个钪原子修饰的石墨烯对氢的吸附能力达到-0.429 eV/H2，双钪原子修饰石墨烯，对氢的吸附能力可以达到-0.296 eV/H2。祁昊等基于用金属修饰石墨烯容易发生原子团簇问题，所以采用NLi4来修饰石墨烯，经过研究表明，采用NLi4修饰的石墨烯吸附能力可以达到-2.47 eV/H2，而且不会发生金属原子团聚现象。

4、其他方面

石墨烯在医学方面的应用主要是以石墨烯衍生物的形式，如生物元件、疾病诊断和药物运输等领域，拥有非常广阔的应用前景。最早将石墨烯应用在医药领域的是Liu课题组，他们采用聚乙二醇修饰的石墨烯来作为难溶性抗癌药物，喜树碱衍生物的载体，并经过实验发现，经过石墨烯改良后，该药物在正常生理条件下，可以正常发挥作用，对人体不会造成任何影响。

石墨烯涂料不仅具有环氧富锌涂料的阴极保护性和玻璃鳞片涂料的屏蔽性，而且，还有着优良的附着性、防水性和韧性。因此，石墨烯涂料的防腐性优于现有的任何重防腐涂料，是一种性能优良、有着广阔的应用前景的涂料。

文章来源： 羊城派，材料PLUS，锂电百科