神奇的材料。它只有一層原子厚，但強度是鋼鐵的 200 倍；導電性極佳，但又透明且柔韌。自 2004 年英國研究人員安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 發現石墨烯以來，它就一舉成名，曼徹斯特大學的這對搭檔也因此獲得了2010 年諾貝爾物理學獎。
我們已經聽說了這些事實。我們已經讀到石墨烯如何以幾乎無限的方式推動當今技術的邊界。我們甚至想象過一頭大象站在鉛筆上。但拋開頭條新聞，很明顯，石墨烯科學中最令人興奮的許多領域仍處於早期階段。我們可能要過幾年，甚至幾十年才能看到第一款石墨烯增強型智慧手機、飛機或防彈背心。但在這些不切實際的承諾之外，基礎研究正在加速進行。
快速進展
英國劍橋大學劍橋石墨烯中心主任安德里亞·法拉利表示：“如果說有什麼不同的話，那就是石墨烯的進展比其他同類材料更快。”他指出，在 2004 年發現石墨烯後的最初幾年，大多數研究僅限於學術界，而且是基礎物理學。“大約在 2009/2010 年左右，應用型大學部門和公司才真正開始關注這種材料——我們才剛剛起步四年。”
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在過去幾年中，與石墨烯相關的專利激增——公佈的總數從 2012 年到 2014 年翻了一番多，超過 9000 項。其中四分之三以上是在中國 (47%)、韓國 (13%) 或美國 (18%) 提交的。
在本地，石墨烯研發也吸引了大量公共投資。今年在英國，耗資 6100 萬英鎊的曼徹斯特國家石墨烯研究所 (NGI) 開業，其中 3800 萬英鎊來自英國政府。石墨烯旗艦計劃是歐盟委員會未來和新興技術競賽的大贏家之一，將在未來 10 年內從地平線 2020 預算中獲得 10 億歐元（7.3 億英鎊）的資金，這將支援基礎研究和應用研究。迄今為止，該專案在 23 個國家擁有 140 多個合作伙伴組織，並且最近釋出了由法拉利協調的石墨烯研究路線圖。
靈光一現
幾個月前，一個里程碑式的時刻到來，當時英國第一款石墨烯增強型商業消費品問世——由曼徹斯特大學和 NGI 的衍生公司 Graphene Lighting 生產的燈泡。
該燈泡的開發人員對其技術的工作原理有些保密，僅表示該燈泡包含一個塗有石墨烯的燈絲狀 LED，其卓越的導電性使整個燈泡的效率提高了約 10%，而且使用壽命更長。曼徹斯特大學的科林·貝利表示，它還具有更低的製造成本，並擁有“更可持續”的元件，他是 Graphene Lighting 的董事之一。“我們預計這些燈泡將在今年年底上市，”他說。“我們已經建立了供應鏈。”
他補充說，NGI 在不久的將來還會推出其他裝置，包括一種由石墨烯墨水製成的天線，可以列印在紙上，這為更便宜的射頻識別標籤和可穿戴無線感測器開闢了可能性。貝利估計該產品將在 2016 年上市。“我們只是在尋找支援工廠和我們所需供應鏈的資金，”他說。“我們還有很多其他專案正在籌備中——我們正在研究石墨烯在鋼鐵砌體上的塗層，正在研究可以更快充電並存儲更多能量的電池，以及複合材料中的石墨烯。”
事實上，由於透過液相剝離石墨以低成本生產石墨烯碎片，含石墨烯的複合材料很可能是石墨烯最早的主要主流應用之一。將少量石墨烯摻入其他材料（如合金或聚合物）中可以使強度或導電性呈指數級增長，這將使製造商能夠生產出更好的防護漆和塗層、用於 3D 和噴墨列印的導電墨水或更堅固的建築材料。
石墨烯旗艦計劃的路線圖預測，在未來幾年內，越來越多的石墨烯注入墨水和材料將開始上市，並且一些公司已經開始生產它們。複合材料製造商Haydale Graphene Industries 已將石墨烯奈米片摻入環氧樹脂和碳纖維增強聚合物中，目前正在與帆船賽車隊 Alex Thomson Racing 合作，嘗試建造更堅固但更輕的船隻並開發效能增強型塗層。
美國運動器材製造商 Head 在 2013 年推出了一款使用石墨烯增強聚合物球杆的網球拍，改變了重量分佈，引起了轟動。該公司聲稱，這使得球拍在擁有相同“揮重”的情況下，整體重量減輕了 20%。該產品在 Head 公司取得了巨大的成功，該公司的專利還涵蓋了該材料在其他運動器材（包括滑雪板和高爾夫球杆）中的使用。“這真的進展非常快，我認為這真的讓市場感到驚訝，”貝利說。
保持標準
石墨烯基裝置和材料的進展速度與批次生產它們的能力密切相關。在這個階段，生產最佳質量單層石墨烯的方法，如機械剝離（膠帶法）和化學氣相沉積 (CVD)，目前成本效益不高，不適合批次生產，並且仍然主要限於研發。雖然這是阻礙一些需要大面積無缺陷單層薄片的高科技石墨烯應用的一個因素，但生產其他材料（如少層和多層石墨烯薄片）的技術已經開始起步。
“兩年前，大約有 100 家公司參與石墨烯生產……現在大約有 300 家，”石墨烯委員會主任特倫斯·巴坎說，該委員會是一個由石墨烯研究、開發和生產人員組成的網路。
雖然這種增長在很多方面都是一個有希望的跡象，但巴坎警告說，它也會產生問題。“每天都有一家新公司聲稱要生產石墨烯，但是這種材料絕對沒有普遍認可的標準……人們把單壁奈米管稱為‘捲起的石墨烯’，或者您擁有的是單層或多層材料，但都被稱為石墨烯。除非您經常使用石墨烯，否則很容易被所有不同的術語弄糊塗。”
巴坎說，甚至在同一供應商內部也存在不一致的情況，導致買家得到的材料批次的效能略有不同。這造成了很多混亂，並使公司開始用石墨烯替代傳統的、經過充分表徵的材料在他們的產品中變得非常冒險。
為了解決這個問題，石墨烯委員會正在努力制定一套標準，可用於表徵整個行業中石墨烯的所有不同變體。這也是石墨烯旗艦計劃一直積極參與的領域，去年，來自歐洲各地的研究人員開發了一個“家譜”，用於對不同型別的石墨烯及相關材料進行分類和分類。
“標準化並不令人興奮，”巴坎說。“它不會產生任何收入——人們討厭它！但我認為，如果您不克服這個障礙，您將永遠無法進入一個嚴肅的、廣泛整合的商業市場。”
尋找殺手鐧
雖然看到第一批石墨烯裝置出現無疑令人興奮，但憤世嫉俗者很快指出，燈泡和網球拍完全可以在沒有它的情況下正常工作。目前尚不清楚何時會製造出全新的東西，甚至是什麼。
“在一個領域的開始階段，很難真正準確地瞭解‘殺手級應用’將會在哪裡，”法拉利說。為了瞭解未來可能發生的事情，他說我們需要回顧一下類似材料的歷史。例如，類金剛石碳——一種顯示出一些與金剛石相似的特性，但沒有晶體結構的非晶碳——最早是在 20 世紀 70 年代開發的，當時，就像石墨烯一樣，有人建議這種材料可以用於電晶體。
“但在過去的 50 年裡，沒有銷售過用類金剛石碳製成的功能性電晶體，”法拉利說。“另一方面，這種材料在其他領域取得了完全的成功——世界上每一臺計算機硬碟如果沒有頂層的類金剛石碳，就無法工作。目前，每年都會生產 10 億臺這樣的計算機，但當然，1970 年沒有人知道 40 年後的殺手級應用會是什麼。”
目前沒有人知道石墨烯的殺手級應用會是什麼，但它的許多特性都表明它在電子領域具有潛力。法拉利的大部分研究都集中在開發柔性電子產品上，利用石墨烯作為一種透明、可彎曲且薄的導體。法拉利的團隊與劍橋公司 FlexEnable 合作，去年生產了第一個石墨烯基柔性顯示器，這是一種電子閱讀器風格的反射顯示器，它使用柔性石墨烯電極代替金屬，並使用可彎曲塑膠代替玻璃作為螢幕。
行動電話巨頭三星和諾基亞也盯上了基於石墨烯的柔性電子產品，投入數百萬美元開發可彎曲螢幕，用石墨烯代替用於製造當今智慧手機和平板電腦觸控式螢幕的易碎、不可彎曲的氧化銦錫層。儘管據說三星已經生產出了一些可工作的原型，但製造石墨烯所需的昂貴 CVD 工藝仍然是一個挑戰，而且它們尚未上市銷售。
還有人談論用石墨烯代替晶片中的矽，因為我們製造包含更多電晶體的更小晶片的能力開始放緩。但法拉利警告說，這還有很長的路要走：“我永遠無法用石墨烯代替矽電晶體——在我有生之年都無法實現。”他補充說，至少還要 20 年，石墨烯的許多電子應用才能準備好進入市場，他警告說，還需要更多的投資。
法拉利說：“‘石墨烯投入10億歐元’的標題看起來很棒，但當你想到一家半導體公司可能在10年內花費數十億美元僅僅為了將單個器件做得稍微小一點時，這筆錢就顯得微不足道了。我們目前在石墨烯方面所取得的成就，真的只是剛剛開始。”
改變世界
對於參與運營多家高科技初創公司的技術顧問蒂姆·哈珀來說，還有其他可能更接近現實的、改變世界的石墨烯技術。他說，“石墨烯競賽”的真正贏家將是那些能夠將這項技術轉化為市場已有需求的應用程式的人。
哈珀說：“如果你拿著一袋石墨烯，試圖找到它的應用，那將是一個艱難的挑戰。如果你能找到一種利用石墨烯來做別人做不到的事情的方法，那麼你就擁有一項事業。”
哈珀認為，石墨烯材料特別有希望的一個領域是水淨化。他最近創立了英國公司G2O，該公司已獲得美國南卡羅來納大學開發的氧化石墨烯膜技術的許可。這種水過濾膜是透過在聚醯胺基底上塗覆氧化石墨烯薄片製成的，這些薄片重疊幷包裹在聚醯胺纖維周圍，以“模仿魚鱗頂部的粘液層”，哈珀說。當油水混合物接觸到膜時，氧化石墨烯薄片會將水截留在結構內部，形成排斥油的親水性口袋。這使得膜非常耐汙垢，而汙垢是大多數淨化膜技術的常見問題。
哈珀說：“目前水處理成本非常高。但是，一旦你開始塗覆這些膜，突然間，透過的水量就會增加，而且其他東西也不會造成汙染，這會轉化為巨大的節省。如果你看看典型的海水淡化廠，我們大概可以節省40%的能源成本。”這每年可以為一家工廠節省高達 4000 萬美元（2600 萬英鎊），哈珀希望這些數字足夠有前景，以說服水處理和海水淡化公司為這項技術的擴大規模提供資金。
他參與的另一家公司Xefro，正在嘗試設計完美的加熱器。哈珀說：“透過使用可列印的石墨烯墨水，我們開發出了可以模製成不同形狀的加熱器，這些加熱器可以整合到建築物的結構中。”初步測試表明，將該技術與可以調節房屋每個房間供暖的控制系統相結合，可以實現 25% 到 70% 的節能，具體取決於房屋其他部分的隔熱效果。“我們可以提出一種可以將供暖成本降低 50-60% 的解決方案，”哈珀說。
這些想法似乎很有未來感，但哈珀熱衷於強調，只要有合適的投資，它們實現的時間可能會比你預期的要早得多。“我不是在考慮一個為期 10 年的研究專案，我也不是在考慮一個為期 5 年的研究專案，”他說。“我們認為我們可以在幾年內將其推向市場。”
儘管某些領域比其他領域進展得更快，但這種神奇的材料沒有任何離開聚光燈的跡象。作為一種剛剛開始引起投資者和行業關注的技術，法拉利將石墨烯描述為“新生嬰兒”。毫無疑問，它很快就會開始邁出第一步。