神奇的材料。它只有一层原子厚，但强度是钢铁的 200 倍；导电性极佳，但又透明且柔韧。自 2004 年英国研究人员安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 发现石墨烯以来，它就一举成名，曼彻斯特大学的这对搭档也因此获得了2010 年诺贝尔物理学奖。
我们已经听说了这些事实。我们已经读到石墨烯如何以几乎无限的方式推动当今技术的边界。我们甚至想象过一头大象站在铅笔上。但抛开头条新闻，很明显，石墨烯科学中最令人兴奋的许多领域仍处于早期阶段。我们可能要过几年，甚至几十年才能看到第一款石墨烯增强型智能手机、飞机或防弹背心。但在这些不切实际的承诺之外，基础研究正在加速进行。
快速进展
英国剑桥大学剑桥石墨烯中心主任安德里亚·法拉利表示：“如果说有什么不同的话，那就是石墨烯的进展比其他同类材料更快。”他指出，在 2004 年发现石墨烯后的最初几年，大多数研究仅限于学术界，而且是基础物理学。“大约在 2009/2010 年左右，应用型大学部门和公司才真正开始关注这种材料——我们才刚刚起步四年。”
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在过去几年中，与石墨烯相关的专利激增——公布的总数从 2012 年到 2014 年翻了一番多，超过 9000 项。其中四分之三以上是在中国 (47%)、韩国 (13%) 或美国 (18%) 提交的。
在本地，石墨烯研发也吸引了大量公共投资。今年在英国，耗资 6100 万英镑的曼彻斯特国家石墨烯研究所 (NGI) 开业，其中 3800 万英镑来自英国政府。石墨烯旗舰计划是欧盟委员会未来和新兴技术竞赛的大赢家之一，将在未来 10 年内从地平线 2020 预算中获得 10 亿欧元（7.3 亿英镑）的资金，这将支持基础研究和应用研究。迄今为止，该项目在 23 个国家拥有 140 多个合作伙伴组织，并且最近发布了由法拉利协调的石墨烯研究路线图。
灵光一现
几个月前，一个里程碑式的时刻到来，当时英国第一款石墨烯增强型商业消费品问世——由曼彻斯特大学和 NGI 的衍生公司 Graphene Lighting 生产的灯泡。
该灯泡的开发人员对其技术的工作原理有些保密，仅表示该灯泡包含一个涂有石墨烯的灯丝状 LED，其卓越的导电性使整个灯泡的效率提高了约 10%，而且使用寿命更长。曼彻斯特大学的科林·贝利表示，它还具有更低的制造成本，并拥有“更可持续”的组件，他是 Graphene Lighting 的董事之一。“我们预计这些灯泡将在今年年底上市，”他说。“我们已经建立了供应链。”
他补充说，NGI 在不久的将来还会推出其他设备，包括一种由石墨烯墨水制成的天线，可以打印在纸上，这为更便宜的射频识别标签和可穿戴无线传感器开辟了可能性。贝利估计该产品将在 2016 年上市。“我们只是在寻找支持工厂和我们所需供应链的资金，”他说。“我们还有很多其他项目正在筹备中——我们正在研究石墨烯在钢铁砌体上的涂层，正在研究可以更快充电并存储更多能量的电池，以及复合材料中的石墨烯。”
事实上，由于通过液相剥离石墨以低成本生产石墨烯碎片，含石墨烯的复合材料很可能是石墨烯最早的主要主流应用之一。将少量石墨烯掺入其他材料（如合金或聚合物）中可以使强度或导电性呈指数级增长，这将使制造商能够生产出更好的防护漆和涂层、用于 3D 和喷墨打印的导电墨水或更坚固的建筑材料。
石墨烯旗舰计划的路线图预测，在未来几年内，越来越多的石墨烯注入墨水和材料将开始上市，并且一些公司已经开始生产它们。复合材料制造商Haydale Graphene Industries 已将石墨烯纳米片掺入环氧树脂和碳纤维增强聚合物中，目前正在与帆船赛车队 Alex Thomson Racing 合作，尝试建造更坚固但更轻的船只并开发性能增强型涂层。
美国运动器材制造商 Head 在 2013 年推出了一款使用石墨烯增强聚合物球杆的网球拍，改变了重量分布，引起了轰动。该公司声称，这使得球拍在拥有相同“挥重”的情况下，整体重量减轻了 20%。该产品在 Head 公司取得了巨大的成功，该公司的专利还涵盖了该材料在其他运动器材（包括滑雪板和高尔夫球杆）中的使用。“这真的进展非常快，我认为这真的让市场感到惊讶，”贝利说。
保持标准
石墨烯基设备和材料的进展速度与批量生产它们的能力密切相关。在这个阶段，生产最佳质量单层石墨烯的方法，如机械剥离（胶带法）和化学气相沉积 (CVD)，目前成本效益不高，不适合批量生产，并且仍然主要限于研发。虽然这是阻碍一些需要大面积无缺陷单层薄片的高科技石墨烯应用的一个因素，但生产其他材料（如少层和多层石墨烯薄片）的技术已经开始起步。
“两年前，大约有 100 家公司参与石墨烯生产……现在大约有 300 家，”石墨烯委员会主任特伦斯·巴坎说，该委员会是一个由石墨烯研究、开发和生产人员组成的网络。
虽然这种增长在很多方面都是一个有希望的迹象，但巴坎警告说，它也会产生问题。“每天都有一家新公司声称要生产石墨烯，但是这种材料绝对没有普遍认可的标准……人们把单壁纳米管称为‘卷起的石墨烯’，或者您拥有的是单层或多层材料，但都被称为石墨烯。除非您经常使用石墨烯，否则很容易被所有不同的术语弄糊涂。”
巴坎说，甚至在同一供应商内部也存在不一致的情况，导致买家得到的材料批次的性能略有不同。这造成了很多混乱，并使公司开始用石墨烯替代传统的、经过充分表征的材料在他们的产品中变得非常冒险。
为了解决这个问题，石墨烯委员会正在努力制定一套标准，可用于表征整个行业中石墨烯的所有不同变体。这也是石墨烯旗舰计划一直积极参与的领域，去年，来自欧洲各地的研究人员开发了一个“家谱”，用于对不同类型的石墨烯及相关材料进行分类和分类。
“标准化并不令人兴奋，”巴坎说。“它不会产生任何收入——人们讨厌它！但我认为，如果您不克服这个障碍，您将永远无法进入一个严肃的、广泛整合的商业市场。”
寻找杀手锏
虽然看到第一批石墨烯设备出现无疑令人兴奋，但愤世嫉俗者很快指出，灯泡和网球拍完全可以在没有它的情况下正常工作。目前尚不清楚何时会制造出全新的东西，甚至是什么。
“在一个领域的开始阶段，很难真正准确地了解‘杀手级应用’将会在哪里，”法拉利说。为了了解未来可能发生的事情，他说我们需要回顾一下类似材料的历史。例如，类金刚石碳——一种显示出一些与金刚石相似的特性，但没有晶体结构的非晶碳——最早是在 20 世纪 70 年代开发的，当时，就像石墨烯一样，有人建议这种材料可以用于晶体管。
“但在过去的 50 年里，没有销售过用类金刚石碳制成的功能性晶体管，”法拉利说。“另一方面，这种材料在其他领域取得了完全的成功——世界上每一台计算机硬盘如果没有顶层的类金刚石碳，就无法工作。目前，每年都会生产 10 亿台这样的计算机，但当然，1970 年没有人知道 40 年后的杀手级应用会是什么。”
目前没有人知道石墨烯的杀手级应用会是什么，但它的许多特性都表明它在电子领域具有潜力。法拉利的大部分研究都集中在开发柔性电子产品上，利用石墨烯作为一种透明、可弯曲且薄的导体。法拉利的团队与剑桥公司 FlexEnable 合作，去年生产了第一个石墨烯基柔性显示器，这是一种电子阅读器风格的反射显示器，它使用柔性石墨烯电极代替金属，并使用可弯曲塑料代替玻璃作为屏幕。
移动电话巨头三星和诺基亚也盯上了基于石墨烯的柔性电子产品，投入数百万美元开发可弯曲屏幕，用石墨烯代替用于制造当今智能手机和平板电脑触摸屏的易碎、不可弯曲的氧化铟锡层。尽管据说三星已经生产出了一些可工作的原型，但制造石墨烯所需的昂贵 CVD 工艺仍然是一个挑战，而且它们尚未上市销售。
还有人谈论用石墨烯代替芯片中的硅，因为我们制造包含更多晶体管的更小芯片的能力开始放缓。但法拉利警告说，这还有很长的路要走：“我永远无法用石墨烯代替硅晶体管——在我有生之年都无法实现。”他补充说，至少还要 20 年，石墨烯的许多电子应用才能准备好进入市场，他警告说，还需要更多的投资。
法拉利说：“‘石墨烯投入10亿欧元’的标题看起来很棒，但当你想到一家半导体公司可能在10年内花费数十亿美元仅仅为了将单个器件做得稍微小一点时，这笔钱就显得微不足道了。我们目前在石墨烯方面所取得的成就，真的只是刚刚开始。”
改变世界
对于参与运营多家高科技初创公司的技术顾问蒂姆·哈珀来说，还有其他可能更接近现实的、改变世界的石墨烯技术。他说，“石墨烯竞赛”的真正赢家将是那些能够将这项技术转化为市场已有需求的应用程序的人。
哈珀说：“如果你拿着一袋石墨烯，试图找到它的应用，那将是一个艰难的挑战。如果你能找到一种利用石墨烯来做别人做不到的事情的方法，那么你就拥有一项事业。”
哈珀认为，石墨烯材料特别有希望的一个领域是水净化。他最近创立了英国公司G2O，该公司已获得美国南卡罗来纳大学开发的氧化石墨烯膜技术的许可。这种水过滤膜是通过在聚酰胺基底上涂覆氧化石墨烯薄片制成的，这些薄片重叠并包裹在聚酰胺纤维周围，以“模仿鱼鳞顶部的粘液层”，哈珀说。当油水混合物接触到膜时，氧化石墨烯薄片会将水截留在结构内部，形成排斥油的亲水性口袋。这使得膜非常耐污垢，而污垢是大多数净化膜技术的常见问题。
哈珀说：“目前水处理成本非常高。但是，一旦你开始涂覆这些膜，突然间，通过的水量就会增加，而且其他东西也不会造成污染，这会转化为巨大的节省。如果你看看典型的海水淡化厂，我们大概可以节省40%的能源成本。”这每年可以为一家工厂节省高达 4000 万美元（2600 万英镑），哈珀希望这些数字足够有前景，以说服水处理和海水淡化公司为这项技术的扩大规模提供资金。
他参与的另一家公司Xefro，正在尝试设计完美的加热器。哈珀说：“通过使用可打印的石墨烯墨水，我们开发出了可以模制成不同形状的加热器，这些加热器可以集成到建筑物的结构中。”初步测试表明，将该技术与可以调节房屋每个房间供暖的控制系统相结合，可以实现 25% 到 70% 的节能，具体取决于房屋其他部分的隔热效果。“我们可以提出一种可以将供暖成本降低 50-60% 的解决方案，”哈珀说。
这些想法似乎很有未来感，但哈珀热衷于强调，只要有合适的投资，它们实现的时间可能会比你预期的要早得多。“我不是在考虑一个为期 10 年的研究项目，我也不是在考虑一个为期 5 年的研究项目，”他说。“我们认为我们可以在几年内将其推向市场。”
尽管某些领域比其他领域进展得更快，但这种神奇的材料没有任何离开聚光灯的迹象。作为一种刚刚开始引起投资者和行业关注的技术，法拉利将石墨烯描述为“新生婴儿”。毫无疑问，它很快就会开始迈出第一步。