石墨烯能成为下一代颠覆性技术，替代目前使用的一些材料、开创新市场吗？

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石墨烯能成为下一代颠覆性技术，替代目前使用的一些材料、开创新市场吗？它是否足够多功能从而使我们生活的方方面面发生突破性变革吗？从石墨烯的性质来看，它的确有这个潜力。石墨烯是科学家制备的第一种二维原子晶体。它的许多参数——如刚度、强度、弹性、电导率、热导率等等——都是无与伦比的。这些性质表明石墨烯能够替代许多其他材料。然而，这么多优异的特性集中于这一种材料上意味着石墨烯将可能导致变革性的技术。石墨烯的透明性、导电性和弹性使其可应用于柔性电子器件，而透明性、抗渗性和导电性使其可应用于透明保护膜和隔膜；这种性质的组合应用正越来越多。然而，新技术的应用通常是一个时间长、代价高的过程，石墨烯的性质是否足够特殊，足够通用，以能够改变现状从而转向更为便捷的新技术呢？

石墨烯因其具有许多优异的性能而获得了“奇迹材料”的称号。然而，这些优异的性能都是建立在高质量样品的基础上（机械剥离石墨烯），并且石墨烯需要存放在特制的基材上，如六方氮化硼。至今为止，还没有使用其他制备方式的石墨烯能得到同样的性能，所以此方法正在快速的发展。如果产业化的石墨烯的性能能与实验室中制备出的石墨烯具有同样优异的性能，那么在工业应用上将会有很大的前景。下面由迪瓦脱模剂为您简单列出几条：

1.石墨烯的生物应用
      石墨烯某些性能使得其可以作为潜在的生物应用材料。比面积大、化学纯度高和易官能化为石墨烯用于载药提供了可能。石墨烯特殊的机械性能可以应用于组织工程和再生医学中。石墨烯同时具有薄、传导好、强度高的特点，可以用于透射电镜中生物材料的支架。同时，化学功能化的石墨烯可以应用于快速、超灵敏的测量仪器，检测包括葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和DNA等一系列生物分子。

      由于石墨烯比表面积大，有不受限制的π电子，石墨烯的衍生物可以用于溶解，绑定药物分子，因此石墨烯如果有足够高的载药量，可作为潜在的药物运载工具，能够在体内较好分散，释放药物。石墨烯是亲脂性的，这个性能有利于解决载药过程中药物穿过生物膜。到目前为止，已经完成了很多关于芳香抗癌药物如阿霉素的载药或体外行为相关的工作。聚乙二醇修饰的氧化石墨烯，用近红外荧光染料染色，不带任何药品，在异种移植老鼠的静脉中表现出被动的肿瘤靶向。肿瘤细胞在被低功耗近红外激光辐照后被杀死，表示石墨烯的衍生物可以应用于光热光谱分析癌症治疗。然而，当加入新材料时，药物开发需要高安全性，临床和监管障碍而且耗时较长，所以石墨烯载药技术在2030年前不太可能进入市场。

       在石墨烯充分体现它在生物医药领域的作用前，其生物分散，生物相容性以及急性、慢性毒性等危险在加工过程和后续的使用过程中会相继表现出来。最后，特定的领域需要特定形式的石墨烯，因为产品的性能会随着尺寸、形貌和化学结构的不同而不一样。在某些情况下，也可以利用生物活性产生特定的毒性。例如，有毒的石墨烯衍生物可以作为一种以自身为抗生素或者抗癌治疗的治疗剂。

2.石墨烯用于传感器和计量

     石墨烯作为二维织物和几乎没有体积的表面，对于环境的变化有极高的敏感性。因此，考虑将石墨烯用于传感器中就十分合理了，从测量磁场到DNA测序，从探测周围液体的速率到应变仪。后者（通过电子或者光读数）可能成为最具竞争力的设备。由于石墨烯是唯一可以拉长20%的晶体，因此显著提高了传感器的工作范围。


      尽管石墨烯气体传感器极其灵敏，但是与目前的设备相比竞争优势还不明显。选择性低和水中毒限制了石墨烯在此方面的应用，尽管这种传感器生产成本很低，但是只能限用于某些领域。功能化可以提高石墨烯传感器的灵敏度，但是由于该方法成本较高，因此石墨烯可能最适合应用于生物传感器中。


     石墨烯传感器的主要优点是它们的多功能性。同一个设备可以用来测量多个参数（如应变，气氛，压力和磁场）。这给石墨烯提供了独特的机会。随着交互式电子产品的急剧发展，石墨烯传感器应用前景更加广阔。

3.石墨烯材料在超级电容器中的应用

      人们一直都在寻找高效的可再生能源技术，石墨烯已经加入了可再生能源研究这一行列。目前，有许多关于太阳能电池的研究，石墨烯在其中的作用可以分为作为活性介质和作为透明或者分布式电极。前一种方法与光电探测器的工作原理相同，原则上能均匀吸收宽光谱。然而，由于石墨烯低的内在光学吸收率，这种设备需要复杂的干涉法或者等离子体增强结构才能大规模使用。相反，使用石墨烯透明电极可以很好的应用于半导体量子点和染料-光敏太阳能电池中。在石墨烯中通过掺杂可以改变费米能级的位置，该电极使用电子和空穴作为导电媒介。由于通过液相或者热剥离法生产石墨烯的成本正在下降，研究人员可以考虑在染料太阳能电池中广泛使用石墨烯，特别是可以在那些机械柔性占主要的应用领域。当石墨烯在性能和成本上都比较优秀时，就能够替代现在能源相关的通用材料（石墨，炭黑和活性炭）。

4.复合材料、油漆和涂层中的应用
      石墨烯涂料可以应用于导电油墨、抗静电、电池屏蔽、气体屏障材料中。理论上来说，所有以石墨烯为主的公司和新公司可以生产液相或者热剥离石墨烯，那么制备工艺会向着简单合理的方向发展。此外，今后几年石墨烯的化学衍生物将会得到大量的发展，可以控制产品的导电率和透明度。
      给复合材料带来额外功能是另一个较大市场，其中石墨烯所占的份额会很大而且可能会迅速地发展。石墨烯可以阻隔气体和水，可以作为电磁屏蔽材料，可以传递电和热，也可以在聚合物矩阵中监测应力变化。作为聚合物的添加剂，加入石墨烯可能会使加工温度升高、减少水分的吸收、诱导抗静电行为、给予光电保护、提高轴向压缩强度。在很多的应用中，因碳纤维机械连接性过大而限制了其应用，所以需要使用石墨烯来代替（例如注塑复合材料）。

5.石墨烯基光子学应用

（1）光电探测器：石墨烯光电探测器是目前研究最为广泛的光电子器件之一。与半导体光电探测器不同的是，石墨烯原则上可以用于从紫外到红外的宽频光谱区域。另一个优点是高操作带宽，该优点可以使石墨烯光电探测器适用于高速数据通讯中。

（2）光调制器：优异的光调制器的性能可以通过剥离制得的石墨烯的特性来实现，石墨烯从较宽波谱的光中吸收少量入射光并且能够快速地做出响应。为了实现这些性质，在单层石墨烯片层中，谱带间转移的光电子通过驱动电压在宽频谱带间调制，可以得到在近红外区带宽超过1GHz运行速度的光调制器。通过一些结构的改变，使用相互限制的双层石墨烯可以减少RC延迟时间中的阻碍，提供一个可以达到上百千兆的区域，理论上操作带宽超过50GHz的光调制器是可以实现的，但是需要等到2020年以后。石墨烯是一种兆赫级无线通讯的潜在材料，因为在石墨烯中光损失要远小于贵金属。

（3）锁模激光器/THz发生器:超快的被动锁模激光器已经用于光谱、微材料加工、生物医药和安全应用中。它们经常作为一个饱和吸收体，通过选择传递高光强光从而造成光强的调制。与广泛使用的半导体饱和吸光体相比，石墨烯单层吸光率很高，在低光强度下的宽谱带区域就可以达到饱和。超快载流子的弛豫时间、可控的调制深度、高损伤极值、高热导率和宽频可调都是石墨烯饱和吸收体的优点。因此上述应用需要石墨烯的量比较小，所以商品化的产品可以在2020前出现。

（4）光学偏振控制器:偏振控制器（如偏振器和旋转偏振器）是重要的无源元件，它们可以操纵极化光子的性质。差动横向磁场的衰减模式下，由于Dirac费米子的激发可以得到覆盖了较宽的通讯带，其消光比为27dB。简化的光学偏振器已经被用于结合了线性传导层石墨烯的数据通讯光学纤维中。高质量微米级石墨烯需要与光学纤维或者硅杂化设备结合使用。因此，如果石墨烯的生产技术已经成熟，那么这些设备就可以在2020年前投入使用。

6.石墨烯的电子器件应用

(1)柔性电子器件:石墨烯电极已经在OLED中应用。一旦设备的集成问题（比如三维石墨烯结构在沉积过程中能否保持和石墨烯之间的接触电阻等）被解决，先进灵活或者可折叠的OLED设备将在2016年后被引入。在低成本部门，建立大规模生产是最重要的事。液相剥离的石墨烯涂层不需要使用昂贵的真空装置。尽管薄膜的电阻比较高，它们仍然在智能窗口、太阳能电池和一些接触屏的应用上表现良好。石墨烯的柔性和机械强度高的优点，确保了石墨烯设备可以有更多灵活的应用。

(2)高频晶体管:研究人员已对石墨烯高频二极管进行了研究。石墨烯不得不与成熟的化合物（III–V族元素）半导体材料竞争。当传统的III–V族元素材料不能满足设备的需求时，石墨烯可能会在2021年后被使用。

(3)逻辑晶体管:几种研究路线被用于打开石墨烯的能带隙：纳米带，单电子晶体的形成，多层的控制和化学修饰石墨烯。然而，所有的方法（除了化学修饰）都不能打开超过360meV的能带隙，这将开关电流比限制在了103，远远小于需要的106。更为严重的是，这样做会使得石墨烯中载流子的迁移率衰退。石墨烯的电子和热的传导效率以及优异的屏障属性，可能会应用于互联和热耗散的集成电路材料。石墨烯能十分容易地通过CVD在铜上生长，人们也许可以看到石墨烯在集成电路方面的应用。