有没有这样一款坚韧的薄膜，它能以一支铅笔尖的承受面，撑住一头大象的重量，而不会被戳破？
石墨烯可以做到。
近日，在北京市科协主办的“首都科学讲堂”上，中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范和北京石墨烯研究院副院长、石墨烯器件技术研究部部长魏迪这两位专家，向公众介绍了石墨烯这款曾获得2010年诺奖的明星材料。
透明胶带撕出来的诺奖
石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是几层石墨烯。
石墨烯是由一层以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。人们很早就发现了石墨，但直到2004年才发现石墨烯。这是因为，早在70多年前，理论研究就表明，完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用一种非常简单的实验方法突破了科学家们的理论认知。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断这样操作，薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
理论上不可能，实验中却偏偏被制备出来了！这个发现立即震撼了科学界。仅仅6年后，两位发现者就共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。
“大家经常讲，石墨烯这个诺贝尔奖是用透明胶带撕出来的。实际上我们不能小瞧这么一个简单但是重要的发现。”刘忠范院士说，对于科学研究来说，像这两位科学家那样勇于探索、大胆尝试极其重要。
石墨烯有很多神奇的性能，因此号称“新材料之王”：它是最薄的材料，因为它只有一个原子层；它是强度最大的材料，理论上它的强度比钢强韧200倍；它是导电性最好的材料，电导率是银的1.6倍；它是导热性最好的材料，热导率是铜的13倍。
刘忠范介绍，石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，又具备超强的导热性和导电性，这让它的应用前景十分广阔。
它可以做触摸屏，因为它是透明导电薄膜；也可能用做超快集成电路，因为石墨烯里的电子跑的非常快，在室温下的电子迁移率超过了硅材料的10倍；它是轻质高强材料，在航空航天领域有非常重要的应用前景；它的电磁屏蔽性质，也可以利用来做隐型飞机、隐身材料……
它可能产生一些类似于科幻电影场景的酷炫应用。
“石墨烯的酷炫应用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的载流子迁移率，能让电子跑得非常快。如果说常用的导电材料是高速路上行驶的汽车，那石墨烯就是一辆超跑。”魏迪说，这个性能让它可以用作智能夜视眼镜这类的酷炫装备。
人体能发射远红外光，由于石墨烯超高的载流子迁移率，远红外光投射到它上面后产生的电子可以被迅速地采集。这样，戴上用石墨烯镜片制成的眼镜，就可以看到夜里的一切东西，还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。同时，由于石墨烯具备其透光性，它还能作为显示屏投射各种信息，当你去一个陌生地方，它可以即时显示路况、附近酒店、景点、餐馆等服务信息。
石墨烯产业哪家强？
不过，理想很丰满，现实还比较骨感。现在你能在市场买到的石墨烯，很可能大部分都只是石墨。
2018年，《先进材料》上曾发表一篇文章，作者之一就是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。这篇文章中，研究者们分析了来自美洲、亚洲和欧洲的60家公司的粉体石墨烯样品，发现大多数公司的样品中石墨烯含量低于10％，而且没有一家样品中石墨烯的含量超过50％。
单层石墨烯是实验室产物，可工业化大量制备的石墨烯一般有几层呢？
“从应用的角度讲，一般大家的共识是十层以下可称为石墨烯，尽管严格意义上讲，只有单层石墨片才是真正的石墨烯，而十层以上就是普通的、传统的粉体石墨。”刘忠范说。
石墨烯一般分成两类，一类是粉体石墨烯，一类是薄膜石墨烯。这两类石墨烯的制备方法完全不同，应用的领域和场景也完全不同。
在规模化的工业制备中，石墨烯粉体一般是用化学反应剥离石墨层的办法去做。但这类氧化还原方法常常会带来大量的废酸、废水。比如用浓硫酸加上高锰酸钾去煮石墨，生产1公斤石墨烯需要耗费50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水。
薄膜石墨烯的规模化制备方法，最有代表性的是化学气相沉积技术，即在高温炉子里，通过高温化学反应来一层一层制备石墨烯。如在铜箔表面，在1000摄氏度通上甲烷，就可以生成一个单原子层的石墨烯。
我国石墨烯产业的现状如何，在世界上处于什么位置？
截止2020年6月底，我国在工商部门注册的、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已经达到了16800家。全国已成立石墨烯产业园29个，石墨烯研究院54家，石墨烯产业创新中心8个，石墨烯联盟12个，分布在21个省市。
石墨烯领域发表的文章数量，我国从2011年开始就在全球领先，现在占比超过全球的1／3。石墨烯领域专利申请数量我国也是全球最多，大约占全球的7成。我国粉体石墨烯制备产能很大，已达到每年5000多吨。我国在薄膜石墨烯的制备方面也全球领先，年产能已达到650万平米左右。
“从产业规模、知识产权拥有量、文章发表数量上，我们是全球领先的。但要注意的是，与欧洲、美国、日本和韩国相比，中国石墨烯行业的关注点根本不在一个频道上。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发，而中国则非常重视近期的实用性产品的开发。”刘忠范说，虽然我们对未来核心技术的关注相对少一点，但从总体上看，中国的石墨烯基础研究和产业化力量在全球还是处于第一方队。
魏迪认为，中国石墨烯产业目前很多是在低附加值的添加涂料或加热领域，未来应更多地往光电子器件、传感器件等高附加值产业布局。