英格兰曼彻斯特——在英格兰北部一个罕见的晴朗日子里，这里的国家石墨烯研究所（NGI）像一块五层楼高的黑曜石一样闪耀。这个研究中心挤进了曼彻斯特大学广阔的市中心校园内，被近2000块发亮的黑色面板覆盖着，每块面板上都有微小的六边形穿孔——这是对原子薄层碳片结构的建筑致敬，这种碳片赋予了该建筑其名称。

NGI之所以存在，是因为石墨烯最初就是在不远处的曼彻斯特大学实验室中被分离出来的。安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在20年前的这个月向世界展示了它，并因此项工作后来获得了诺贝尔奖。自从它的发现以来，数十亿美元的R&D资金流向了石墨烯，全球范围内都在竞相利用其无与伦比的属性。它比任何金属都能更好地传导电流，是出色的热导体，并且比钢强数百倍——这些卖点在大学和公司的营销材料中都被大肆宣扬。

国家石墨烯研究所距离曼彻斯特大学首次隔离出石墨烯的实验室只有几百米之遥。

起初，研究人员对于石墨烯的突破性承诺并不羞涩，预测它将使超薄可卷曲电视、太空电梯成为可能，甚至可能在计算机芯片中取代硅。“期望非常高，”盖姆说。“我参与的公司大多基于炒作。”

尽管石墨烯具有吸引力，但它也有缺点，尤其是将其融入大规模生产的设备中而不牺牲其备受吹捧的特性是困难的。许多公司来去匆匆，带着他们的未来主义石墨烯梦想一同离去。石墨烯供应长期以来一直超过需求，而主要制造公司还没有跃入石墨烯生产领域，英国市场研究咨询公司IDTechEx的技术分析师康纳·奥布莱恩说，该公司跟踪石墨烯行业。

然而今天，一些石墨烯企业似乎终于找到了立足点。这部分是因为“石墨烯”这个名字现在被应用于大量其他物质——更便宜的碳形式，以多个原子层堆叠或装饰有各种化学附加物。这些异类的石墨烯形式现在不仅在消费电子产品中找到，还在混凝土、皮卡车和大脑设备中找到。“石墨烯现在是成百上千种不同的东西，”丹麦技术大学的石墨烯研究员彼得·博吉尔德说。

但是标志性的单层石墨烯本身呢？即使它也可能正在从失望的泥潭中浮现。公司在便宜且一致地制造它方面变得更好，并且他们正在使用原子薄的石墨烯来构建磁性传感器、光学通信芯片和医疗诊断设备等。“它经历了炒作周期，”英国石墨烯设备制造商Paragraf的研究主管娜塔莎·康威说。“它爬上了山顶，跌入了大谷底——现在，随着人们看到它确实具有价值，它正在重新出现。”

石墨烯的起源非常朴实：盖姆和诺沃肖洛夫的团队使用普通的苏格兰胶带从一块石墨上剥离薄薄的碎片。然后他们筛选这些薄片，找到那些只有1个原子厚的薄片。他们很快意识到，石墨烯的二维蜂窝结构使其成为一种非常奇怪的材料。

例如，它既不是金属，也不是绝缘体，甚至不是真正的半导体。在常规半导体中，电子被限制在一个能量范围（称为价带）内，这阻止了它们导电——直到一股能量将它们提升到导带，使电流能够流动。相反，石墨烯是一种半金属，有点像半导体，但带隙为零，所以最轻微的推动就能使它导电。事实上，石墨烯能量状态的不寻常排列使其电子表现得好像没有质量一样，并帮助它们像涂了油的闪电一样流过石墨烯，几乎不受任何电阻影响。

其他研究人员展示了石墨烯完美的强化学键阵列如何赋予其巨大的强度，以及其蜂窝结构如何允许原子振动自由地穿过材料，快速传输热量。它还被发现对小磁场极为敏感，这会将其移动电子扫到一侧，这种现象被称为霍尔效应。

过山车般的旅程

20年前石墨烯的发现引发了一波炒作浪潮，数十亿美元的R&D资金流向了试图商业化这种原子薄碳层的大学和初创公司。最近，所谓的奇迹材料市场似乎在增长，不仅是对单层石墨烯，还有对氧化石墨烯（GOs）和石墨烯纳米片（GNPs）。

在石墨烯被分离出来的几年内，研究人员基本上探索了石墨烯的基础科学。“本质上，到2007年，对石墨烯的研究已经完成并且尘埃落定了，”盖姆说，他在那一年共同撰写了一篇综述。“我想称它为‘石墨烯已死’，但我不被允许，”他带着苦笑回忆道。

手工剥离的微观石墨烯薄片非常适合实验室研究，但几乎不适合商业产品。这场“黑金”热潮在2009年后真正加速，当时德克萨斯州的研究人员发现，一种称为化学气相沉积（CVD）的常见工业过程可以用来在铜箔上生长既坚固又灵活的石墨烯单层。铜作为催化剂，在大约1000°C的温度下从甲烷原料中释放碳原子来构建石墨烯。

公司迅速扩大了这种生产方法的规模。例如，在2013年，纽约州的Bluestone Global Tech声称它每天至少可以制造20平方米的CVD石墨烯，并宣布将在曼彻斯特大学开设一家新工厂。Bluestone和其他公司承诺，石墨烯的导电性、灵活性和透明度将使其成为电子设备触摸屏的理想材料。

曼彻斯特大学的石墨烯工程创新中心是致力于将石墨烯应用商业化的工业合作伙伴。