石墨烯十六歲，貢獻了多少科學進展？

一、導讀

2010年，諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov），他們因在二維材料石墨烯（graphene）領域的開創性工作而獲此殊榮。諾貝爾獎官方對此貢獻的表述原文如下：

Carbon exists in several different natural forms. A material consisting of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice and only one atom thick was long considered a purely theoretical construction. In 2004 Konstantin Novoselov and Andre Geim successfully produced this material, graphene, and mapped its properties: incredibly thin but still incredibly strong, good heat and electrical conductivity, almost entirely transparent yet very dense. Graphene creates new possibilities within materials technology and electronics.

這是“碳”這種神奇的材料第二次榮登諾獎?(1996年C₆₀分子的發現榮獲諾貝爾化學獎)。16年前，石墨烯實現了實驗上的成功合成并獲得了關鍵的物理性質，我們可以將2004年那篇開創性成果的發表作為它的生日。走過16歲的成長歷程，石墨烯即將步入18歲，而它的橫空出世帶給科學界、社會以及人類發展進程等各方面巨大的影響。不管你是覺得它過于“網紅”卻沒有真正飛入尋常百姓家，或者你覺得鳥糞也能和它掛上擋，它都已經深刻的改變并正在影響著科學發展。

今天，我們單從這16年來的科學成果的宏觀發展層面來聊一聊石墨烯不簡單的年少輕狂。當然，在此之前，我們有必要了解幾個有趣卻發人思考的科學史。

1). 其實，1859年，英國化學家Benjamin Brodie通過酸性條件的石墨剝離就得到了我們現在所說的“氧化石墨烯”分散液(Brodie B C 1859 Phil. Trans. R. Soc. A 149 249)，這篇早期的文獻中有這樣一句話“It is very difficult by mechanical processes to bring this graphite to a fine state of division”，而近一個半世紀后，這句話卻成為了石墨烯初生的原點，科學，就是這般神奇；

2).隨后的整個20世紀，科學界其實已經無數次逼近石墨烯的真相，但基本上都是在幾層石墨烯的邊緣徘徊，盡管有一些報道中似乎有些許它的蹤跡，但是，距離真正捅破那層至關重要的“窗戶紙”還是有些力不從心。特別是20世紀中葉的一些理論預測研究表明，二維材料的單層形式并不能穩定的存在，而且相繼被一些薄膜樣品的實驗證據所支持，無疑在理論上對這類材料進行了死刑宣判。??

3). 進入21世紀初, 2003年，哈爾濱工業大學的甘陽教授開創性的采用STM針尖掃描石墨表面得到了單層石墨烯（Surf. Sci.?2003: 539, 120-128），并且研究了石墨烯的晶界和超結構，但這篇文獻并沒有被學界熟知，一個關鍵原因很可能是這篇論文沒有直接采用“Graphene”這一術語，而用更為通俗的“Graphite Monolayer”來描述這一物質形態（筆者注:可見，一項成果是否能及時被學界檢索到是影響成果影響力傳播的關鍵因素）；直到2004年，兩位諾獎得主通過膠帶機械剝離得到連續的單層石墨烯，并研究了其關鍵的電學性質，“Graphene”一詞才真正意義上成為了科學寵兒。不過，在2010年12月的諾獎演講中，Geim教授在談到石墨烯的重要前期研究中引用了中國學者甘陽教授的上述論文（圖1.1），但筆者在仔細查閱諾獎官方在2010年10月發布的當年諾貝爾物理學獎科學背景介紹中，并未看到對這篇工作的引用，頗為微妙。

圖1.1 Geim的諾獎演講PPT中介紹石墨烯歷史

石墨烯跨越三個世紀終究現身，其發現之旅浸透著人類認識自然的艱辛歷程，科學，大多數時候就是以這樣一種刻骨銘心的經歷吸引著那些追逐真理、真相與興趣的人們。

二、石墨烯16歲之發現之旅（2004-2019）

鑒于2020年的論文發表尚未完全結束，本文的統計范圍截止到2019年，數據源WOS

圖2.1 石墨烯的分學科發表量

如圖2.1所示，材料科學、物理化學和應用物理是石墨烯研究領域的主要學科歸屬。這其實從另一個角度證明了諾獎頒發給其物理獎是恰當的，因為從微觀層面，石墨烯的絕大多數特性都是其物理屬性的體現與延伸。此外，以上三個學科均是交叉學科研究的典范，這符合整體學術界發展的趨勢。?

圖2.2?石墨烯的發表年度曲線圖

圖2.2的發文統計圖值得我們仔細考量。例如，在2010年諾獎之前的6年間，其總發文量保持低位運行，但我們需要注意的是，2009年開始出現了迅猛增長的星光，這樣看來，諾獎的遴選中其實敏銳的察覺了這一發展態勢；隨后，石墨烯的科學發表量呈現近乎線性的陡峭增長，從2010年的不到4千篇陡然增長到2015年的2萬多篇，幾乎是每年以成倍數的增長趨勢突飛猛進。

然而，2016年開始，盡管總量依舊堅挺，但增長率已經出現了明顯下滑，石墨烯的發展恰好印證了學術界那句發展定律，五年會體現拐點，五年會影響方向。確實，石墨烯文獻體量巨大，但真正的科學上的從0到1式的重大突破寥寥無幾，而大量的重復演進型科學成果進一步助推了其發展混亂度逐步擴大。其實，相當多的文獻中所謂的“石墨烯”，其結構和化學本質更加接近于多層石墨烯或氧化石墨烯混合體，和當初諾獎指出的真正意義上的“單層”相去甚遠。在諾獎之前的很多工作就是在這個層面上進行的，我們的大量工作究竟是不忘石墨烯初心，還是圍繞石墨烯這個圓心進行環繞式飛行呢？值得深思。Advanced Materials上曾經發表過一篇論文，國外某學者對幾十個商業化的宣稱是“石墨烯”的樣品進行測試，實驗表明，當前商業化的標稱是“石墨烯”的產品質量堪憂，相當多的樣品本質上屬于“Graphite Microplatelet”。這從一個層面證明了為何石墨烯真正的性能潛力無法釋放，因為很多產品根本就不是真正意義的石墨烯。

圖2.3 石墨烯的國家和地區發表量

國家和地區的發表分布圖和我們的感知基本相近，我國是當之無愧的石墨烯巨無霸發表陣地，占據全部發文量的近一半。而首次開創性的英國和俄羅斯則被遠遠拋在沙灘上。當然，這和我們的科技論文發表總量是匹配的，但是否折射出石墨烯“過熱”的勢頭呢？所以，圖2.2的增速放慢并不是一件壞事，相反會促進這一領域的繼續洗牌，促進其不斷走向深水區。

圖2.4 石墨烯發文量前十期刊

圖2.4展示了前十大石墨烯發表期刊陣地，RSC Advances當之無愧拔得頭籌，這與其作為化學綜合性巨刊的地位相符。而余下的期刊清一色的是專業性期刊，這也與專業性期刊占據了科學期刊的主要陣地是一致的。畢竟物化材的論文在綜合性期刊占比并不高。

圖2.5 石墨烯撤稿文獻分布

最后，我們來看看石墨烯這些年來撤稿的論文分布。總撤稿文獻數為67篇，當然，這僅僅是基于WOS數據源的結果，但總量確實很低。而中國大陸占據了近半數的撤稿數，由于我們總發文量巨大，這個數字也很難反映出背后的科學不端嚴重度。但印度、伊朗和沙特阿拉伯的表現卻能反映出這幾個國家的學術不端問題，特別是沙特阿拉伯，總發文量未進入前十位，但撤稿排名進入前五；相比之下，美國的撤稿比發文量的排名靠后，卻是鮮明的比照。

三、石墨烯高被引論文科學分析（2004-2019）

在本文的時間跨度內，一共誕生了7134篇高被引論文，筆者選取被引次數居前2000篇的高被引論文進行了多元網絡化分析，希望能得到一些高被引之間的關聯信息。

圖3.1?石墨烯前2000篇高被引論文的國際合作

國家和地區間的合作網絡展示了中美兩國在科技領域不可分割的緊密聯系，盡管科學無國界，而科學家有國界，但自由的跨國合作可以更好的促進科學的發展。站在歷史的、人類發展的高度俯瞰，合作、協作才能造就多贏！

其中，在前2000篇高被引論文的作者合作網絡中，共有85位學者的高被引論文數目超過10篇，其中位于前列的學者如下表所示。

表3.1 高被引作者

圖3.2?石墨烯前2000篇高被引論文的機構合作
（機構發表閾值為40篇）

那么，機構間的合作情況是怎么樣的呢？如圖3.2所示，中科院、清華、北大以及麻省理工學院、加州大學伯克利分校和新加坡的大學是高被引作者的主要所在機構。中科院和中科大、南洋理工等機構則促進了整個國際和地區內合作的開展。

圖3.3石墨烯前2000篇高被引論文的頂級期刊的引用網絡
（期刊發表閾值為30篇）

那么，究竟哪些期刊是高被引論文的蓄水池？圖3.3的引證網絡圖揭示了其中的奧秘，ACS NANO、Advanced Materials和Nano Letters是位居前三的蓄水池。緊隨其后的是兩大化學綜述期刊Chemical Society Reviews和Chemical Reviews。AM在構建整個期刊間的引證網絡中占據重要位置。

圖3.4?石墨烯前2000篇高被引論文中的核心關鍵詞
（關鍵詞出現頻次閾值為15）

最后，在石墨烯高被引論文的關鍵詞中，哪些是重要的課題？筆者以關鍵詞出現15次為閾值，共有22個關鍵詞出現在前2000篇高被引論文中。除去位居C位的石墨烯外，能源和催化占據了主要陣地，這恰恰可以解釋近些年來的此類期刊影響因子的高歌猛進，各大出版商正是從整個論文發展總熱點中進行了新刊的布局，并以此繼續助推熱門直至爆發。但，我們不能忽視那些邊緣地帶的與結構有關的拉曼光譜學、與其他二維材料家族的關聯化，以及量子點的發展。

當然，那些能成為以上熱點和火山的課題都是曾經被追捧的方向，如何從中找到新的，從0到1的突破，才是每個學者應該思考的，諸如魔角石墨烯、高溫超導、新奇電子態以及臨界條件下的物理化學演化等。

石墨烯已經走過孩提時代，想在此時入行的你，或者已深入其中想知其新的你，希望本文能對你有些許幫助，那將是筆者莫大的榮幸！

致敬石墨烯青春，一層煙雨灑滿天。

百年孤獨終現明，唯有真理不拖沓。

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