月壤中发现天然石墨烯后 月球资源留给人们想象的空间瞬间增大了

□ 赵佳亮
日前，我国学术期刊《国家科学评论》刊发针对月壤研究的最新成果。研究人员通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤进行严谨的观察与分析，发现了天然形成的少层石墨烯。这一突破性发现为国际首次。
与富含水分和有机物的地球土壤不同，月球直接暴露在太阳辐射和微陨石轰击之下，因此形成的月壤不含有机质，且极度缺水干燥。人们不禁好奇，天然石墨烯究竟是何来头，未来又有哪些潜在应用？
从诞生之初，石墨烯材料就自带光环，被喻为“改变世界的神奇材料”。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫领导的研究小组，将石墨片粘在两片特殊的胶带之间，撕开胶带，石墨片就被减薄，一分为二。如此反复操作，薄片越来越薄，最终他们在显微镜下发现了石墨烯。它的厚度只有0.34纳米，一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛组成。如果我们把石墨片当作一本书，其中的每一页纸都可以被认为是石墨烯。
石墨烯被广泛研究的重要原因，则是其具有非凡的导电性能和导热性能、超出钢铁数十倍的强度和极佳的透光特性。石墨烯载流子迁移率是硅的10倍，有望用于制造超高比能动力电池和超高频率芯片。石墨烯导热性能优于碳纳米管，有望成为电子产品的新一代导热散热材料。有人曾测算，一块1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的猫，而该吊床的重量仅为0.77毫克，比猫的腮须还轻，肉眼根本看不到。作为一种可能替代硅基芯片的产品，由石墨烯材料制造的碳基芯片展现出迷人前景。
目前，石墨烯难以被大量制造，这是因为其工业制造方法需要在超过1000摄氏度的高温下进行，且难以获得高纯度、大尺寸的石墨烯。相比之下，天然石墨烯的发现更显珍贵。2023年，日本北海道大学的研究团队首次在地球上发现了天然石墨烯。虽然这种石墨烯能够在低于300摄氏度的条件下稳定存在，但该研究也指出天然石墨烯看起来是透明的，而不是通常呈现出的黑色，表明其结构中可能还含有其他元素。
此次月壤中发现的天然石墨烯的结晶质量较高，层数在2-7层，一些含铁化合物也出现在该区域附近。基于这一特征，研究人员提出石墨烯的形成可能源于太阳风和月球早期的火山喷发共同诱导的矿物催化进程。
令人遗憾的是，目前发现的天然石墨烯只是通过各种手段确认了其结构组成，并没有被挖掘其电性能和力学性能，因此我们无法区分天然石墨烯和人工合成石墨烯的差异。但天然石墨烯的发现扩展了我们对月球资源的认识边界，意味着月球不仅仅是一个无生命的岩石球体，很可能存在对技术发展有重要价值的资源。可以想象，随着更大规模的天然石墨烯被发掘，我们可以直接在月球上建立石墨烯产业基地，利用石墨烯快速输送电子的特点，发展更薄、导电速度更快的新一代电池，也可以利用其极佳的透光特性，发展具有更高分辨率的屏幕。
（作者系上海市科普作家协会会员）