關(guān)于石墨烯材料的哲學(xué)思考

韓露

[摘要]近年來因石墨烯其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能已成為研究的熱點(diǎn)。本文主要介紹了石墨烯力學(xué)性能、電學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等特點(diǎn)并列舉了石墨烯在薄膜、傳感器、超級(jí)電容器、儲(chǔ)能等各方面的實(shí)際應(yīng)用，從唯物辯證法的角度來分析了石墨烯材料的研究和開發(fā)過程在人與自然共存中的重要作用。

[關(guān)鍵詞]石墨烯；認(rèn)識(shí)論；辨證法

一、前言

人們說的石墨烯是將石墨片剝成單層之后，這是基于碳石墨的原子層間作用力很弱，較容易互相剝離。這種由一層以蜂窩狀排列的碳原子結(jié)構(gòu)的單層就是石墨烯。20世紀(jì)初，科學(xué)家們開始研究石墨烯，2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)教授安德烈·杰姆和他的學(xué)生克斯特亞·諾沃消洛夫用簡單易行的膠帶分離法制備出了石墨烯。它們將石墨剝離成石墨片，然后將石墨片的兩面分別用特殊的膠帶進(jìn)行粘貼，隨后撕開膠帶，又再次把石墨片一分為二，重復(fù)該操作，于是得到越來越薄的薄片，幸運(yùn)地最后得到僅有一層碳原子厚度的石墨薄片。這種只有一層原子厚度的二維晶體就是石墨烯。

2010年，研創(chuàng)新究石墨烯的兩位科學(xué)家獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。媒體渲染報(bào)道稱“物理學(xué)家用透明膠和鉛筆贏得諾貝爾獎(jiǎng)?！笔褂媚z帶剝離方法分離高定向的石墨，并因此獲得了真正存在獨(dú)立的二維石墨晶體。在此之后，制備石墨烯的新方法不斷涌現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)將石墨烯引入工業(yè)化生產(chǎn)將成為將來趨勢。

二、石墨

石墨烯是一種新的緊密型型碳原子的碳質(zhì)材料，具有立體蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)它具有獨(dú)特的物理特性，其中包括：特有的載流子特性，這使得電子在石墨烯傳輸過程產(chǎn)生較小的阻力，因而具有優(yōu)良的電子傳輸性質(zhì)。石墨烯的力學(xué)性強(qiáng)，導(dǎo)電性能優(yōu)，韌性好等。

（一）石墨烯的性質(zhì)

石墨烯其特有的微觀分子結(jié)構(gòu)決定了它特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。石墨烯是二維晶體，最大的特點(diǎn)是電子在石墨烯的速度可達(dá)光速1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在其他導(dǎo)體中的電子速度。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)，光學(xué)和電學(xué)性能：結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，目前研究結(jié)果尚未發(fā)現(xiàn)石墨烯碳原子缺失，碳原子之間的連接柔和并且堅(jiān)韌，超過世界金剛石硬強(qiáng)度；石墨烯幾乎是完全透明的，但非常緊湊，氣密強(qiáng)，不易透水，甚至最小尺寸氦原子大小都可不以穿透；良好的導(dǎo)電性，石墨烯的導(dǎo)電性強(qiáng)，其導(dǎo)電材料遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料。

1.力學(xué)性能：由于石墨烯分子結(jié)構(gòu)中碳原子是sp2雜化結(jié)構(gòu)。特殊的分子結(jié)構(gòu)決定石墨烯具有高強(qiáng)度。石墨烯是目前人類已知的強(qiáng)度最高，比鉆石更硬的材料。

2.導(dǎo)電性能：石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)在石墨碳原子的這種晶格結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性，石墨烯賦予優(yōu)異的導(dǎo)電性。

3.導(dǎo)熱率：穩(wěn)定的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)給出優(yōu)異的導(dǎo)熱性，石墨烯熱導(dǎo)率強(qiáng)于傳統(tǒng)碳納米管和金剛石。

4.化學(xué)性質(zhì)：石墨烯是單層的石墨結(jié)構(gòu)，因此石墨烯可以看作表面因而具有一層石墨屬性的化學(xué)性質(zhì)，石墨烯卷曲在一起，從而形成碳納米管，石墨烯也具有碳納米管相似的化學(xué)性質(zhì)。同時(shí)石墨烯到近紅外，可見光和紫外線具有優(yōu)異的穿透性。

（二）石墨烯的性質(zhì)應(yīng)用

石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能使科學(xué)界產(chǎn)生了巨大波瀾，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，尤其石墨烯具有納米尺寸的晶體管們將成為“后硅時(shí)代”最具潛力材料。石墨烯將成為以后高速晶體管、生物傳感器、太陽能電池、超級(jí)電容器和觸摸面板的核心材料。

1.石墨烯薄膜

將石墨烯片重新組裝，在電子，電氣，信息，能源，光學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這也是石墨烯在生活中最接近實(shí)際應(yīng)用的方向。因?yàn)槠涓咄腹庑院蛯?dǎo)電性的，石墨烯片是最有前途的新的透明導(dǎo)電膜，可以作為顯示器中透明電極，使用新的透明導(dǎo)電膜和背電極材料的太陽能電池應(yīng)用廣泛。同時(shí)因石墨烯薄膜還有較為良好的柔韌性，石墨烯成為制備性透明導(dǎo)電膜材料的首選。

2.儲(chǔ)能材料

高能量密度和高功率密度是當(dāng)前的能量儲(chǔ)存裝置的一個(gè)重要發(fā)展方向，電極材料的選擇是關(guān)鍵。碳納米材料的能量存儲(chǔ)裝置的屬性，因?yàn)樵摢?dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，使其高性能能量存儲(chǔ)裝置提供了一個(gè)理想的電極材料。相比碳納米管，石墨不僅具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有較大的表面積，該空間是更靈活的特性。因此，基于石墨烯的電極材料，優(yōu)異的電化學(xué)特性，使石墨烯制成比碳納米管更實(shí)用的超級(jí)電容器。

3.納米生物傳感器

高靈敏度的生物傳感器是由石墨烯納米粒子抗體的還原石墨烯而制備成功的，這是由于石墨烯制備的傳感器靈敏度很高。同時(shí)石墨烯電導(dǎo)率傳感器可快速猝滅熒光染料，因此它也可以作為熒光傳感器制備材料。新型石墨烯傳感器優(yōu)于常規(guī)的碳基材料的傳感器。

4.“太空梯”纜線

石墨烯在其他方面的優(yōu)異性能體現(xiàn)在可以制備被出紙片薄度的超輕性材料，制造超輕型飛機(jī)。同時(shí)也創(chuàng)造了強(qiáng)硬防彈衣。石墨烯具有非常良好的力性。人們希望穿梭于太空，建造“太空電梯”。石墨烯材料因其比表面積大，韌性強(qiáng)，成為“太空梯”纜線材料首選。石墨烯也可以用作藥物載體，為藥物研發(fā)提供較好的平臺(tái)。

三、關(guān)于石墨烯材料的哲學(xué)價(jià)值

石墨烯材料出現(xiàn)，是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重大突破，說明在人與自然共存的環(huán)境中，人類認(rèn)知能力提升到了一個(gè)新的水平。石墨烯材料技術(shù)引發(fā)認(rèn)知革命，石墨烯材料的誕生，不僅提高人類認(rèn)知世界的層次，同時(shí)也提升了人類在微觀和宏觀世界認(rèn)知水平。石墨烯材料是對(duì)大自然物質(zhì)發(fā)現(xiàn)和改造的過程，以體現(xiàn)了人類科學(xué)技術(shù)改善在生產(chǎn)和生活中質(zhì)的飛躍，也標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展邁向新的空間。石墨烯材料的誕生標(biāo)志著物質(zhì)能被反映的客觀實(shí)在，石墨烯材料的研究，進(jìn)一步說明了物質(zhì)的客觀實(shí)在性，并且客觀實(shí)在是被人們所反映的哲學(xué)原理。

（一）石墨烯材料的出現(xiàn)和發(fā)展提升了人類認(rèn)識(shí)世界的層次

石墨烯材料的是人類在分子、原子層次的微觀層面改造了自然，實(shí)現(xiàn)了人類生產(chǎn)方式改造的質(zhì)的飛躍，也標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新的高度。同時(shí)深刻反映物質(zhì)客觀存在的標(biāo)志。石墨烯材料的進(jìn)一步研究和開發(fā)，提升了人類認(rèn)識(shí)世界的層次。

1.由量變到結(jié)構(gòu)改變、再由結(jié)構(gòu)改變到質(zhì)變的跨越

石墨烯因其特殊結(jié)構(gòu)和性能可以創(chuàng)造新的材料，主要通過改變微觀單分子層結(jié)構(gòu)，改變材料的空間結(jié)構(gòu)合成新材料。多種性能的石墨烯材料具有特殊的性能，這也是從微觀分子層到宏觀性能的改變，石墨烯材料的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新的層次即說明由量變到結(jié)構(gòu)改變、再由結(jié)構(gòu)改變到質(zhì)變的跨越。

2.改變了傳統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)，引發(fā)生產(chǎn)方式的革命

石墨烯材料改變了傳統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)方式，這種新材料引發(fā)了生產(chǎn)方式的革命。石墨烯材料的誕生是在微觀分子層的改造過程中創(chuàng)造新的物質(zhì)，在原有的納米顆粒材料基礎(chǔ)上上發(fā)現(xiàn)碳石墨的單分子層即神奇的石墨烯。這也是人類改造自然，運(yùn)用的是從微觀到宏觀，即“從小到大”或“簡單到復(fù)雜”的生產(chǎn)方式。由微觀到宏觀，從微觀石墨烯單分子層發(fā)現(xiàn)，到宏觀“生物傳感器、太陽能電池、超級(jí)電容器”等，都體現(xiàn)了通過微觀分子層逐個(gè)改變生產(chǎn)方式并實(shí)現(xiàn)人類對(duì)微觀層面物質(zhì)的改造。

石墨烯材料的誕生和發(fā)展是人類改造自然力，改善人類與自然共存方式的提升。人類的人類的生存方式也將隨之從跟班上發(fā)生改變。

（二）材料產(chǎn)業(yè)和資源環(huán)境的關(guān)系

人類的生活離不開自然界的物質(zhì)資源。材料是從環(huán)境中提取，其制備、生產(chǎn)、使用和廢棄的過程都是對(duì)自然界環(huán)境污染的過程。我們追尋可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)生活方式，但是現(xiàn)實(shí)生活中大量的廢氣、廢水和工業(yè)廢棄物嚴(yán)重破壞了我們賴以生存的空間。社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求我們不斷開發(fā)環(huán)保實(shí)用型材料。人類的生存需求與科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)。石墨烯新材料的誕生和發(fā)展正好適應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展這一需求。

材料和結(jié)構(gòu)的討論中，通常要考慮兩者之間的關(guān)系。由于材料結(jié)構(gòu)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，材料的本質(zhì)便是結(jié)構(gòu)。石墨烯材料與環(huán)境變化是內(nèi)部因素和外部因素的關(guān)系。

材料的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性能相關(guān)，性能的體現(xiàn)直接關(guān)系材料的作用與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，前者是內(nèi)因，后者是外因。環(huán)境友好的材料：例如石墨烯太陽能電池對(duì)于環(huán)境保護(hù)有積極、正面的作用。倘若是破壞環(huán)境的材料則對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，例如眾所周知的“白色污染“，我們摒棄一次性消費(fèi)用品。目前大料的材料釋放溫室氣體C02，CH4，NO，S02等氣體。這會(huì)造成酸雨的降落和全球變暖等負(fù)面效應(yīng)。因此材料和環(huán)境之間是內(nèi)因和外因的關(guān)系。

（三）石墨烯材料充實(shí)了辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論和方法論

從唯物辯證法說，動(dòng)物特別是人腦的結(jié)構(gòu)的概念是非常復(fù)雜的，但畢竟是可知的，它提供了一個(gè)人類的新材料發(fā)展的無盡可能性。材料研發(fā)人員從仿生學(xué)角度來研發(fā)新的智能材料。認(rèn)識(shí)論認(rèn)為對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)還必然受到主觀因素的制約，人們在探尋某一事物的復(fù)雜過程中，本身就是人類在社會(huì)中的實(shí)踐活動(dòng)。這個(gè)實(shí)踐活動(dòng)過程必然受到人為主觀因素的影響。例如我們已有的知識(shí)背景，理論舉出，以往的生活實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等。整個(gè)認(rèn)識(shí)過程都伴隨了必然性和偶然性，主觀因素、客觀因素等多方面的影響。辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論肯定了機(jī)遇的存在性。機(jī)遇的存在具有客觀性，機(jī)遇的產(chǎn)生的客觀依據(jù)是偶然性和必然性的辯證統(tǒng)一。偶然性以必然性為基礎(chǔ)，必然性是通過偶然性來實(shí)現(xiàn)。所以當(dāng)偶然性出現(xiàn)的時(shí)候，必須及時(shí)捕捉它，并且進(jìn)一步挖掘其背后的必然性，分析兩者之間的區(qū)別和聯(lián)系，此時(shí)新物質(zhì)、新科學(xué)發(fā)現(xiàn)就誕生了。例如石墨烯的發(fā)現(xiàn)是便是物理學(xué)家通過撕透明膠帶偶然發(fā)現(xiàn)的。

認(rèn)識(shí)論是認(rèn)知本質(zhì)和發(fā)展的理論。認(rèn)識(shí)的主體是人，是實(shí)踐著的人。認(rèn)識(shí)客體是主體與之發(fā)生關(guān)系的東西，比如人類對(duì)于石墨烯的研究開發(fā)過程，石墨烯不僅是客觀實(shí)在，而是進(jìn)入人類活動(dòng)領(lǐng)域的并且預(yù)人類主體縣關(guān)聯(lián)的客觀對(duì)象。我們對(duì)石墨烯的改造過程本質(zhì)就是人類主體對(duì)石墨烯課題的反應(yīng)。人類能動(dòng)的將石墨烯改造的過程，也是人類改善自己生活方式，不斷提升自身認(rèn)識(shí)能力，形成正確認(rèn)知的過程。這里，石墨烯材料科學(xué)工作者是認(rèn)識(shí)的主體，而與之相關(guān)的環(huán)境材料及環(huán)境是認(rèn)識(shí)的客體。材料研發(fā)人員通過材料和環(huán)境的客觀分析，思考材料與環(huán)境之間的關(guān)系以及通過仔細(xì)觀察和分析，從定性認(rèn)識(shí)上升到得定量認(rèn)識(shí)，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。例如石墨烯幾乎是完全透明的，同時(shí)結(jié)構(gòu)非常致密，就算是最小的氫原子都無法穿透，這些特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，恰好適合制備透明的觸摸屏和太陽能電池板。

科學(xué)的進(jìn)步說明人類知識(shí)儲(chǔ)備的迅速增加。類似于石墨烯這樣的新材料的研究開發(fā)過程中，說明了人類可以通過多種研究方法思維模式改造生活中的客觀存在，人類不斷的構(gòu)思、認(rèn)知過程充實(shí)了辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論和方法論。

（四）石墨烯材料是一種模仿中的創(chuàng)造

模仿是仿照，仿效，模擬，模仿中需要?jiǎng)?chuàng)造性，模仿過程是創(chuàng)造的研究過程。模仿的建立有賴于創(chuàng)造性的研究，化學(xué)模仿作為研究的結(jié)果，以一定的符號(hào)體系而存在，它具有直觀性，形象性，是人們的感官可以感知的，或者是人的思維可以把我的。然而，建立模型的過程，卻是一個(gè)艱苦的，充滿矛盾的思維過程。在此過程中，需要主體充分的發(fā)揮思維的創(chuàng)造性。

一般在建立模型的過程中，包含著猜測或猜想的因素?；瘜W(xué)家依據(jù)已知理論，深入分析了事實(shí)。對(duì)要模仿的對(duì)象的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等方面提出某種設(shè)想，這中間就包含著猜測。這是建立模型中的重要一環(huán)。在猜測中，各種邏輯方法，比如：比較，類比，歸納，演繹，分析，綜合等，都會(huì)起一定作用。石墨烯材料的誕生即是在納米技術(shù)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納猜測，并通過實(shí)踐后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的。猜測是以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)的，從認(rèn)識(shí)發(fā)展的過程來看，從最簡單，最典型的實(shí)例人手，突破一點(diǎn)，會(huì)使認(rèn)識(shí)獲得廣泛發(fā)展。這種認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律反過來作為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)線索，在研究過程中，要求善于選擇典型對(duì)象，從典型對(duì)象著手，開展工作，所謂典型對(duì)象，其一具有代表性，石墨烯是作為碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有一些奇特的物理特性，具有典型性是具有理論意義的對(duì)象，這是典型分析中選擇典型要考慮的一個(gè)重要因素。

（五）石墨烯材料的發(fā)展是化學(xué)認(rèn)識(shí)中的繼承、積累、突破的革命

化學(xué)知識(shí)的積累從化學(xué)元素開始，包括基本元素的資料的發(fā)現(xiàn)和繼承過程，尤其是化學(xué)元素的性質(zhì)等方面的資料，比如就是因?yàn)閾碛凶畛跆荚氐教紗钨|(zhì)的研究資料的積累，才有石墨烯微觀結(jié)構(gòu)及其特殊性質(zhì)的應(yīng)用開發(fā)的順利開展，化學(xué)元素到化學(xué)分子，再從化學(xué)結(jié)構(gòu)到化學(xué)性質(zhì)的研究都是化學(xué)認(rèn)識(shí)中的繼承和創(chuàng)新。良好的研究方法和研究手段都是在不斷地發(fā)現(xiàn)和資料搜集積累過程中產(chǎn)生的?；瘜W(xué)知識(shí)積累到一定階段，化學(xué)認(rèn)知過程也會(huì)發(fā)生突破，從何科學(xué)知識(shí)達(dá)到質(zhì)變化。

這就說明化學(xué)元素到化學(xué)分子的研究都是在大量資料積累的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，積累之后才會(huì)有所突破?；瘜W(xué)知識(shí)積累是個(gè)循序漸進(jìn)的工程，而化學(xué)突破恰恰是化學(xué)知識(shí)的飛躍。每一種新的突破就是一種創(chuàng)新，如石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)發(fā)展中，石墨烯概念的確立，石墨烯制備方法層出不窮，石墨烯結(jié)構(gòu)的改善及確立過程，這都具有重大影響的新物質(zhì)，新現(xiàn)象，新規(guī)律，都是技術(shù)創(chuàng)新，都是化學(xué)發(fā)展的突破。往往化學(xué)知識(shí)的突破都是從最簡單最典型的對(duì)象開始的，有一個(gè)簡單突破點(diǎn)開始然后廣泛發(fā)展，這種化學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展形勢充實(shí)了認(rèn)識(shí)論和方法論。例子：石墨烯單分子層的發(fā)現(xiàn)常常是對(duì)簡單或最典型的對(duì)象進(jìn)行研究開始的，化學(xué)理論和觀念的變革是破舊和創(chuàng)新的統(tǒng)一。這也是通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，將理論與化學(xué)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)密切地結(jié)合起來。進(jìn)而對(duì)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析，總結(jié)和概括，形成定律、假說或理論。從邏輯學(xué)觀點(diǎn)看，就是從某種理論出發(fā)，合乎邏輯地推論出新的認(rèn)識(shí)，得出理論的解釋和預(yù)見功能并在邏輯學(xué)中演繹推理。

四、石墨烯材料應(yīng)用前景

石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，材料，電子，醫(yī)藥，催化劑載體等領(lǐng)域具有很大的發(fā)展和應(yīng)用前景。充分展示其很高的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。在石墨烯的結(jié)構(gòu)性能、制備，應(yīng)用和理論研究仍面臨著籌備很大的挑戰(zhàn)，抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，從實(shí)驗(yàn)和理論兩點(diǎn)出發(fā)，解決石墨烯增長機(jī)制和結(jié)構(gòu)原理摻雜，宏觀性質(zhì)調(diào)控，研究石墨烯薄膜、儲(chǔ)能材料、復(fù)合材料應(yīng)用和技術(shù)難題。石墨烯對(duì)于人類生存，環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，發(fā)展和完善石墨烯在國防，能源，航空航天，化工，機(jī)械微電子等領(lǐng)域是未來需要研究的重點(diǎn)。從辯證唯物主義觀點(diǎn)，新材料石墨烯的研究和發(fā)展與人類共存共榮發(fā)揮了重要作用，期待石墨烯在生產(chǎn)工藝中的改進(jìn)，憧憬石墨烯材料未來發(fā)展的前景。