石墨烯是一種由碳原子組成的六角形，呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，不僅如此，它還具有量子霍爾效應(yīng)、熱傳導(dǎo)性、良好的光學(xué)特性等物理特性，同時(shí)還具有生物相容性、氧化還原性等化學(xué)特性，被稱為最偉大的材料，正因?yàn)槭┯兄绱硕嗟膬?yōu)良特性，所以被稱之為21世紀(jì)的工業(yè)之母。
事實(shí)上，石墨烯是一種性質(zhì)非常特殊的新型材料，它僅由一層分子構(gòu)成，厚度不到1納米，但卻擁有非常高的強(qiáng)度，是目前人類發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的材料之一，它的硬度遠(yuǎn)超現(xiàn)在最硬的鋼材，可以被用來制造高強(qiáng)度復(fù)合材料。
而且它還擁有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性和半導(dǎo)體特性，石墨烯的導(dǎo)電能力能夠?qū)㈦姶叛舆t時(shí)間縮短幾百上千倍，所以它能夠用來制造更加先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片–即石墨烯芯片（碳基芯片）。
在當(dāng)前硅基芯片工藝逐漸接近極限時(shí)，中國芯片行業(yè)希望通過研發(fā)出先進(jìn)的石墨烯芯片技術(shù)替代硅基芯片，從而解決硅基性能極限的問題。石墨烯芯片的性能將比硅基芯片提升10倍，而功耗卻比硅基芯片低得多。
科學(xué)家在分析鉆石等同素異形體后，得出了一個(gè)猜想–1厘米厚的石墨是由1500萬層碳原子堆疊而成的，然而在過去的幾十年來里，科學(xué)家用盡了各種手段都無法分離出單層石墨。不過這一猜想最終被安德烈和康斯坦丁這兩位俄裔科學(xué)家所證實(shí)了，他們二人也因發(fā)現(xiàn)石墨烯這一超級材料，而榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。
他們將一塊石墨薄片在兩面都貼上膠帶，然后一拉，薄片就被撕開變成了兩半，就這樣循環(huán)往復(fù)，他們最終撕出了單層的碳原子，經(jīng)過測試，結(jié)果令人感到震驚–它是人類已知最薄的材料，僅有0.35納米厚。
它也是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鋼鐵高200倍，同時(shí)，它還能承受拉伸和彎曲，這就意味著石墨烯可以替代現(xiàn)有的高強(qiáng)度材料，用來制造防彈衣、汽車、飛機(jī)，如果用來制成人們?nèi)粘Ｉ钪械陌b袋，它可以承受2噸重的物品。
中國進(jìn)入石墨烯領(lǐng)域雖然比美國晚了20年，然而卻成功實(shí)現(xiàn)了彎道超車。這令美國人感到十分震驚，美國專家直言：美國發(fā)展了30年的技術(shù)，被中國10年時(shí)間超越！
眾所周知，美國在全球半導(dǎo)體領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，也是最先開始研發(fā)石墨烯技術(shù)的國家。然而耗費(fèi)了30年的時(shí)間，美國卻在這一領(lǐng)域毫無建樹，始終未能取得任何成果。而中國僅用了10年時(shí)間，就率先在石墨烯材料上取得了突破。
我國的這項(xiàng)重大科技突破歸功于一位年輕的天才科學(xué)家–曹原，他在20多歲時(shí)就發(fā)現(xiàn)了石墨烯的超導(dǎo)電性和量子特性，并且制備出了石墨烯材料，并因此獲得了2021年青年物理學(xué)家的最高獎(jiǎng)。
中國為什么制造不出高端光刻機(jī)？實(shí)際上并非技術(shù)問題，歸根結(jié)底就是材料問題，而在傳統(tǒng)的硅基材料已經(jīng)面臨發(fā)展瓶頸的情況下，中國要在芯片競爭中贏得優(yōu)勢，就必須開辟新賽道，用新材料取而代之。
目前，我國在石墨烯材料領(lǐng)域已經(jīng)取得了全球領(lǐng)先優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
一、中國石墨烯技術(shù)專利申請量遙遙領(lǐng)先，占全球68%
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球石墨烯第一大技術(shù)來源國為中國，中國石墨烯專利申請量占全球石墨烯專利申請總量的68%，位于第二的美國占比為12%，日本和韓國雖然排名第三和第四，但與排名第一的中國差距較大，屬于全球競爭中的第二梯隊(duì)。
從專利申請發(fā)展趨勢來看，2010-2020年，美國石墨烯專利申請數(shù)量相對領(lǐng)先，但是在2013年之后被中國反超。2020年，中國石墨烯專利申請量為16129項(xiàng)，而美國的申請量卻下降為859項(xiàng)。
排名第三的韓國，石墨烯專利申請量為486項(xiàng)，排名第四的日本，石墨烯專利申請量為210項(xiàng)。
在全球石墨烯研究機(jī)構(gòu)中，中國研究機(jī)構(gòu)和公司的占比達(dá)到60%以上，由于受到專利保護(hù)，其他國家的科學(xué)家雖然可以利用中國的石墨烯專利技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)品，但卻不能將產(chǎn)品投入大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，除非向中國繳納高昂的專利使用費(fèi)后，方能使用。而中國本土公司和研究機(jī)構(gòu)卻可以獲得低價(jià)的專利授權(quán)，生產(chǎn)相關(guān)的石墨烯產(chǎn)品。
二、成功研制出石墨烯晶體
中科院研究組已經(jīng)研制出了8英寸石墨烯單晶片，無論在尺寸上，還是在質(zhì)量上都在全球處于遙遙領(lǐng)先的地位，至少領(lǐng)先美國5年。盡管世界各國都在研發(fā)石墨烯產(chǎn)品，但目前只有中國能夠生產(chǎn)8英寸石墨硅片。由此可見，憑借這項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，中國已經(jīng)在石墨烯領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對發(fā)達(dá)國家的彎道超車。
三、發(fā)現(xiàn)了合成石墨烯的新方法，降低了成本，減少了制造環(huán)節(jié)，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件
中國科技大學(xué)專家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了合成石墨烯的新方法，就是利用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻熱等離子體合成石墨烯。這種新方法直接改變了過去石墨烯制造過程中的高耗能、低產(chǎn)出的問題。
科技大研發(fā)出的新方法，成功地解決了石墨烯受熱不均的問題，這一方法有望使石墨烯的量產(chǎn)成為可能。
石墨烯單元的研發(fā)，成功打破了美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，而用石墨烯材所制成的碳基芯片的性能將是硅基芯片的1000倍以上，而且碳基芯片的制造是不需要光刻機(jī)的，這就意味著我國的芯片制造，將擺脫對荷蘭ASML光刻機(jī)的依賴，在芯片領(lǐng)域重新開辟了一條新賽道，并成為賽道的領(lǐng)跑者。
石墨烯材料的的應(yīng)用前景非常廣闊，除了芯片外，它還可以用于導(dǎo)熱材料、電池、傳感器、生物器件以及海水淡化等許多領(lǐng)域，尤其是在軍事領(lǐng)域，它可以用在當(dāng)今科技含量最高的太赫茲雷達(dá)之中，能夠監(jiān)測到隱形戰(zhàn)機(jī)，使得隱形戰(zhàn)機(jī)無處遁形，有助于我國掌握未來空戰(zhàn)的主動權(quán)。
石墨烯還可以用來制作飛機(jī)、航天器等高端產(chǎn)品，石墨烯材料用來制成飛機(jī)的防護(hù)板，可以減輕飛機(jī)自身重量并，為飛行員提供最好的安全保障，目前我國的國產(chǎn)大飛機(jī)C919、武直10的防護(hù)板技術(shù)都是用我國研發(fā)的石墨烯復(fù)合材料制成的。
一直以來，在飛機(jī)制造過程中，如何解決剛度和質(zhì)量的問題，始終是科學(xué)家們遇到的頭號難題，而石墨烯材料的出現(xiàn)，讓人們看到了飛機(jī)輕量化和剛度兼得的廣闊前景。由于石墨烯的超薄、導(dǎo)電性強(qiáng)的特點(diǎn)，使用它能夠生產(chǎn)出攜帶更多彈藥和燃料的戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)以及更輕便安全的防彈衣。
借助石墨烯，我們可以研發(fā)出超級電池，在同等體積下，它能夠儲存的電量是傳統(tǒng)電池的數(shù)倍，充電速度也非?？?，僅需幾秒鐘。
此外，石墨烯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使它具備了良好的過濾能力，如果把海水倒進(jìn)石墨烯濾網(wǎng)，鹽分將會被掛在網(wǎng)上，而水會從孔洞中流過，這樣就達(dá)到了海水淡化的目的。
結(jié)語
雖然我國已經(jīng)在石墨烯材料領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位，但是目前石墨烯芯片還只能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，在性能上也需要進(jìn)一步完善，技術(shù)上還不是很成熟，距離大規(guī)模量產(chǎn)和商用仍需一定時(shí)間，因此還需要繼續(xù)努力，進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢。
正如人們所形容的，19世紀(jì)是鋼鐵時(shí)代，20世紀(jì)是硅時(shí)代，21世紀(jì)是碳時(shí)代，同時(shí)也是芯片時(shí)代。令人感到欣慰和自豪的是，中國在這一科技制高點(diǎn)的競爭中，已經(jīng)取得了令世界各國羨慕的領(lǐng)先優(yōu)勢。
