研究人员用了25年的时间探索富勒烯、碳纳米管和石墨烯的神奇特性，但这些新型材料何时才能走向商品化？这一天是否很快就会到来。
石墨烯是第三个也是最新被发现的“新型碳材料”。在1985年被发现的富勒烯呈足球状，也叫巴基球，是一种亲水的纳米材料；空心圆柱状碳纳米管的特性于1991年首次被确定，但迄今对行业的影响有限；而最新发现的石墨烯材料被称为“未来的硅”，是一种只有一个原子厚的碳材料，却预兆着用途广泛的美好前景，对其特性研究取得的突破性实验也因而获得2010年诺贝尔物理奖。
英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）因制成石墨烯而荣获2010年诺贝尔物理学奖，早在六年前，他们就已经利用粘性胶带从石墨块上成功剥离下一层薄薄的石墨原子。这种材料本质上是一种被展开了的碳纳米管，但却具有神奇的特性：薄薄的一层石墨烯是世界上最薄、最强和最硬的材料，同时也是热和电的一种优良导体。
石墨烯被媒体竞相关注，一些公司也竞相将这些优良属性推向市场。仅在去年一年，石墨烯材料就成为3000份研究论文、400项以上专利申请的主题。韩国计划在美国投资3亿美元用于这种材料的商业化，一些公司，从美国商用机器公司（IBM）到三星电子公司，都在试制以石墨烯为材料的电子产品，超小型超高速的装置也许有一天能够取代硅芯片。有人会问，那为什么石墨烯还没有占领我们的技术世界呢？
石墨烯的“碳祖先”富勒烯和碳纳米管也曾经历了一段“风光”时期，然而人们发现，富勒烯的发现几乎没有得到什么实际的应用，而纳米管尽管更好，但生产成本昂贵，且难以控制，这两种材料最终没有对产业产生很大的影响，这一经验教训说明要将一种新型材料商业化是多么的困难。
2010年诺奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫
然而，碳纳米管确实具有一些令人振奋的特点，尽管在高科技电子技术上的应用也许在未来的许多年里才能实现，但在一些领域中的应用却已经非常接近商业化了，如应用于能源储存或触摸屏上的碳纳米管导电薄膜，以及用于飞机和汽车制造上的碳纳米管增强型复合材料已进入市场。预见到不断增长的需求，纳米管制造商已将生产规模扩大到每年数百吨。
实验室里的新型碳材料
正是由于这些原因，一些石墨制造商纷纷紧随其后，在适当的时候开始大规模生产石墨烯材料。据研究，石墨烯的应用类型与碳纳米管相同，但在生产和处理上却拥有一些关键的优势，同时石墨烯的应用还得益于历时二十年之久的碳纳米管研究。这意味着，哪些应用更值得去追求，以及如何避免碳纳米管应用在最初十年里走过的弯路，石墨烯制造商会有更明智的选择。
碳纳米管和石墨烯共有的卓越性能源于它们相同的结构：一个以蜂窝状形式排列的碳原子薄层，以及极其强大的碳-碳键结合产生的极高的强度重量比。据诺贝尔奖委员会所举的例子，石墨烯的强度可以这么来说，假设1平方米的完美石墨烯吊床可以支撑一只重4公斤的猫，那么这只吊床的重量只有0.77毫克，比猫胡须的重量还轻，而且用肉眼几乎看不到这只吊床的存在。
碳原子排列成的六角形栅格的对称性使得碳纳米管比计算机芯片上所用的硅的导电性更好，这意味着其电阻更低，产生的热量也更少。随着电路向更为密集的方向发展，这一特性对于芯片制造商来说其价值也越大。
此外，即使是碳结构小小的变化也可以衍生出许多新的有用的特性，这些特性给电子学带来更多新的希望，研究人员在实验室里已经取得了很大进展。例如，1998年物理学家展示了由一个由具有半导体特性的单个纳米管做成的晶体管；2007年，研究人员报告称研制成了一台碳纳米管晶体管收音机。
但是，如果要以工业化规模批量生产这种电路，纳米管的变异性将是一个极大的障碍。纳米管通常在反应器内生产，会产生多壁的、单壁的以及长度和直径都不尽相同的半导体或金属特性，这些不同的电子特性并将混杂在一起。“多样性是很了不起的，但变化太多的多样性，就会成为一个真正令人头痛的问题，” 伊利诺斯大学物理化学家约翰·罗杰斯（John Rogers）说。
由六元环组成的蜂窝状网络结构的单层碳原子――石墨烯
在过去的五年里，研究人员才研究出如何将具有半导体特性的纳米管和具有金属特性的纳米管进行分类的方法。但是，在芯片上预定的地点选择纳米管并连接起来而又不影响性能，却遇到了新的难题。因此，大多数物理学家开始相信，用碳纳米管取代硅的想法是不切实际的。一个集成电路需要有数十亿个相同的碳纳米晶体管，以当前的技术很难做到这一点。
石墨烯给人们带来的希望更多一些，高质量石墨烯微片目前是通过在真空环境中加热并碳化硅晶片，最终在表面上留下一层纯石墨层的方式获得的。这种方法与由批量合成方式获得碳纳米管的方法相比，较少出现无法控制的变异性的问题，通过这种方法获得的石墨烯微片其过程更易于操纵。
但石墨烯也有石墨烯的问题，单一石墨烯板材的导电性能太好，以至于很难让电流停止流动。如果打算将石墨烯材料用于起控制电流开关作用的晶体管等电子器件上，这就是个必须解决的问题。以适当的方式改变材料的电子特性，让它变成半导体，这可能要比尝试在单个芯片上放置数十亿纳米管要容易些，但仍然是目前的商业化技术所无法做到的。
所有这些都表明，石墨烯不会很快取代硅芯片。“多年来，数百万人力和数万亿美元投入了硅电子产业的发展，”赖斯大学休斯敦分校专门从事纳米技术研究的有机化学家詹姆斯·图尔（James Tour）指出，“要求石墨烯与与硅竞争，就像要求一个10岁孩子成为一名钢琴家，只因为我们已经给他上了六年钢琴课一样。”
同时，对于一些要求较低的电子产品，碳纳米结构可能具有较强的竞争力，如电子触摸屏显示器，或太阳能电池等，变异性较大的碳纳米管即能为其提供足够的导电性。韩国电子巨头三星公司已经在对商业化的触摸屏进行测试，估计再有两三年时间就可进入市场。
碳材料的未来市场前景
石墨烯薄膜材料是否能与现有的触摸屏材料相竞争，如氧化铟锡（ITO）材料，持乐观看法的人认为可以，因为铟是一种稀有金属，其成本在迅速增加。但同样，碳纳米管的前车之鉴亦不可不察，在早期，人们预测碳纳米管将成为未来的电视屏幕，但事实上更具竞争性的等离子和液晶屏幕却更好更快地走向了市场，成为如今最为普遍流行的电视屏幕。
碳纳米应用的一个最佳切入点可能在于一个柔性电子器件的新兴市场，即可以附加在服装上、粘贴在墙壁上或印制在可卷曲纸张上的显示器和传感器。这一领域唯一的竞争对手来自有机导电聚合物，因为其他材料无法印制在塑料上。但罗杰斯指出，这些聚合物的性能相当低，能够转移到柔性衬底上的碳纳米管和石墨烯材料电路板，具有很强的竞争力。
但以上的这些属于远景展望。目前，每年生产出来的数百吨商用纳米碳材料，大多数做成了体育用品、锂离子电池和汽车生产中的复合材料，其作用不仅能防止开裂，使材料具有更大的强度，而且还有散热和抗静电的作用。例如，现在的奥迪A4轿车上的塑料燃油过滤器含有的碳纳米管，就起到了防静电保护的作用，而在锂离子电池电极中添加碳纳米管，是日本东京一化学工程公司最早的应用之一。
柔韧透明的石墨烯材料
最初，碳纳米管的基本工艺处理问题是阻碍其发展的一大障碍，从反应器中形成时，它们往往纠结缠绕在一起。另一个过去有，现在仍然存在的问题就是成本。石墨烯的原料一公斤只有几美元，且易于从石墨上剥离出来，其成本具有低廉得多的潜力，目前与碳纳米管不相上下。尽管前景看好，但陶氏化学公司在密歇根州米德兰风险投资和商业发展集团的资深科学家史蒂夫·哈恩（Steve Hahn）认为，现实情况是这些应用可能仍然局限于小范围内。“近年来，我一直在努力寻找石墨烯的出路，”哈恩指出，做同样的事情，使用某些材料的成本可能会低得多。
密歇根州一家新创办的生产石墨烯的XG公司总裁迈克尔·诺克斯（Michael Knox）对此深表赞同，他指出，在复合材料中添加石墨“是一个渐进的提高过程。”然而，却是一个不容忽视的改进。“如果我以一个合理的价格将聚丙烯复合材料的性能提高10-20％，每年大概可以卖出100万吨石墨烯材料，而汽车制造商对此也会大感振奋。”
对于一些年轻的石墨烯制造公司来说，关键是要找到一些实际的应用，然后在成本能够承受的情况下考虑如何扩大生产能力。例如，马里兰州的Vorbeck材料公司已决定将重点放在石墨基导电油墨的生产上，该公司的共同创始人之一、Vorbeck公司总裁约翰·莱托乌（John Lettow）称，该公司将于2011年第一季度将这种新型油墨用在智能卡上和无线电频率识别标签上。
可能在近期得到应用的是用石墨烯材料制成的超级电容器，与其他任何材料相比，它可存储更多的电能。其他研究人员正在研究用纳米碳制造燃中使用的催化层电极，甚至还可用于制造水净化处理薄膜。
许多纳米管制造厂家指出，一种新型材料对产业产生影响，需要20年甚至更长的时间。“碳纤维的研究始于1950年代，之后花了大约15年左右才被应用于航空航天及军事上，而我们也在很久之后才听说了这种材料，直到70年代中期人们才看到了少量采用碳纤维复合材料的商用飞机，”麻省理工学院的布赖恩·沃德尔（Brian Wardle）说。碳纳米管从发现到进入产业基本上沿着同样的轨迹，石墨烯的发展可能也会这样。石墨烯将会有适合它的用武之地，但需要更长的时间，可能长得超乎人们的想象。
资料来源 Nature
责任编辑 彦 隐