石墨烯十六岁，贡献了多少科学进展？

一、导读

2010年，诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov），他们因在二维材料石墨烯（graphene）领域的开创性工作而获此殊荣。诺贝尔奖官方对此贡献的表述原文如下：

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.

这是“碳”这种神奇的材料第二次荣登诺奖 (1996年C₆₀分子的发现荣获诺贝尔化学奖)。16年前，石墨烯实现了实验上的成功合成并获得了关键的物理性质，我们可以将2004年那篇开创性成果的发表作为它的生日。走过16岁的成长历程，石墨烯即将步入18岁，而它的横空出世带给科学界、社会以及人类发展进程等各方面巨大的影响。不管你是觉得它过于“网红”却没有真正飞入寻常百姓家，或者你觉得鸟粪也能和它挂上挡，它都已经深刻的改变并正在影响着科学发展。

今天，我们单从这16年来的科学成果的宏观发展层面来聊一聊石墨烯不简单的年少轻狂。当然，在此之前，我们有必要了解几个有趣却发人思考的科学史。

1). 其实，1859年，英国化学家Benjamin Brodie通过酸性条件的石墨剥离就得到了我们现在所说的“氧化石墨烯”分散液(Brodie B C 1859 Phil. Trans. R. Soc. A 149 249)，这篇早期的文献中有这样一句话“It is very difficult by mechanical processes to bring this graphite to a fine state of division”，而近一个半世纪后，这句话却成为了石墨烯初生的原点，科学，就是这般神奇；

2).随后的整个20世纪，科学界其实已经无数次逼近石墨烯的真相，但基本上都是在几层石墨烯的边缘徘徊，尽管有一些报道中似乎有些许它的踪迹，但是，距离真正捅破那层至关重要的“窗户纸”还是有些力不从心。特别是20世纪中叶的一些理论预测研究表明，二维材料的单层形式并不能稳定的存在，而且相继被一些薄膜样品的实验证据所支持，无疑在理论上对这类材料进行了死刑宣判。  

3). 进入21世纪初, 2003年，哈尔滨工业大学的甘阳教授开创性的采用STM针尖扫描石墨表面得到了单层石墨烯（Surf. Sci. 2003: 539, 120-128），并且研究了石墨烯的晶界和超结构，但这篇文献并没有被学界熟知，一个关键原因很可能是这篇论文没有直接采用“Graphene”这一术语，而用更为通俗的“Graphite Monolayer”来描述这一物质形态（笔者注:可见，一项成果是否能及时被学界检索到是影响成果影响力传播的关键因素）；直到2004年，两位诺奖得主通过胶带机械剥离得到连续的单层石墨烯，并研究了其关键的电学性质，“Graphene”一词才真正意义上成为了科学宠儿。不过，在2010年12月的诺奖演讲中，Geim教授在谈到石墨烯的重要前期研究中引用了中国学者甘阳教授的上述论文（图1.1），但笔者在仔细查阅诺奖官方在2010年10月发布的当年诺贝尔物理学奖科学背景介绍中，并未看到对这篇工作的引用，颇为微妙。

图1.1 Geim的诺奖演讲PPT中介绍石墨烯历史

石墨烯跨越三个世纪终究现身，其发现之旅浸透着人类认识自然的艰辛历程，科学，大多数时候就是以这样一种刻骨铭心的经历吸引着那些追逐真理、真相与兴趣的人们。

二、石墨烯16岁之发现之旅（2004-2019）

鉴于2020年的论文发表尚未完全结束，本文的统计范围截止到2019年，数据源WOS

图2.1 石墨烯的分学科发表量

如图2.1所示，材料科学、物理化学和应用物理是石墨烯研究领域的主要学科归属。这其实从另一个角度证明了诺奖颁发给其物理奖是恰当的，因为从微观层面，石墨烯的绝大多数特性都是其物理属性的体现与延伸。此外，以上三个学科均是交叉学科研究的典范，这符合整体学术界发展的趋势。 

图2.2 石墨烯的发表年度曲线图

图2.2的发文统计图值得我们仔细考量。例如，在2010年诺奖之前的6年间，其总发文量保持低位运行，但我们需要注意的是，2009年开始出现了迅猛增长的星光，这样看来，诺奖的遴选中其实敏锐的察觉了这一发展态势；随后，石墨烯的科学发表量呈现近乎线性的陡峭增长，从2010年的不到4千篇陡然增长到2015年的2万多篇，几乎是每年以成倍数的增长趋势突飞猛进。

然而，2016年开始，尽管总量依旧坚挺，但增长率已经出现了明显下滑，石墨烯的发展恰好印证了学术界那句发展定律，五年会体现拐点，五年会影响方向。确实，石墨烯文献体量巨大，但真正的科学上的从0到1式的重大突破寥寥无几，而大量的重复演进型科学成果进一步助推了其发展混乱度逐步扩大。其实，相当多的文献中所谓的“石墨烯”，其结构和化学本质更加接近于多层石墨烯或氧化石墨烯混合体，和当初诺奖指出的真正意义上的“单层”相去甚远。在诺奖之前的很多工作就是在这个层面上进行的，我们的大量工作究竟是不忘石墨烯初心，还是围绕石墨烯这个圆心进行环绕式飞行呢？值得深思。Advanced Materials上曾经发表过一篇论文，国外某学者对几十个商业化的宣称是“石墨烯”的样品进行测试，实验表明，当前商业化的标称是“石墨烯”的产品质量堪忧，相当多的样品本质上属于“Graphite Microplatelet”。这从一个层面证明了为何石墨烯真正的性能潜力无法释放，因为很多产品根本就不是真正意义的石墨烯。

图2.3 石墨烯的国家和地区发表量

国家和地区的发表分布图和我们的感知基本相近，我国是当之无愧的石墨烯巨无霸发表阵地，占据全部发文量的近一半。而首次开创性的英国和俄罗斯则被远远抛在沙滩上。当然，这和我们的科技论文发表总量是匹配的，但是否折射出石墨烯“过热”的势头呢？所以，图2.2的增速放慢并不是一件坏事，相反会促进这一领域的继续洗牌，促进其不断走向深水区。

图2.4 石墨烯发文量前十期刊

图2.4展示了前十大石墨烯发表期刊阵地，RSC Advances当之无愧拔得头筹，这与其作为化学综合性巨刊的地位相符。而余下的期刊清一色的是专业性期刊，这也与专业性期刊占据了科学期刊的主要阵地是一致的。毕竟物化材的论文在综合性期刊占比并不高。

图2.5 石墨烯撤稿文献分布

最后，我们来看看石墨烯这些年来撤稿的论文分布。总撤稿文献数为67篇，当然，这仅仅是基于WOS数据源的结果，但总量确实很低。而中国大陆占据了近半数的撤稿数，由于我们总发文量巨大，这个数字也很难反映出背后的科学不端严重度。但印度、伊朗和沙特阿拉伯的表现却能反映出这几个国家的学术不端问题，特别是沙特阿拉伯，总发文量未进入前十位，但撤稿排名进入前五；相比之下，美国的撤稿比发文量的排名靠后，却是鲜明的比照。

三、石墨烯高被引论文科学分析（2004-2019）

在本文的时间跨度内，一共诞生了7134篇高被引论文，笔者选取被引次数居前2000篇的高被引论文进行了多元网络化分析，希望能得到一些高被引之间的关联信息。

图3.1 石墨烯前2000篇高被引论文的国际合作

国家和地区间的合作网络展示了中美两国在科技领域不可分割的紧密联系，尽管科学无国界，而科学家有国界，但自由的跨国合作可以更好的促进科学的发展。站在历史的、人类发展的高度俯瞰，合作、协作才能造就多赢！

其中，在前2000篇高被引论文的作者合作网络中，共有85位学者的高被引论文数目超过10篇，其中位于前列的学者如下表所示。

表3.1 高被引作者

图3.2 石墨烯前2000篇高被引论文的机构合作
（机构发表阈值为40篇）

那么，机构间的合作情况是怎么样的呢？如图3.2所示，中科院、清华、北大以及麻省理工学院、加州大学伯克利分校和新加坡的大学是高被引作者的主要所在机构。中科院和中科大、南洋理工等机构则促进了整个国际和地区内合作的开展。

图3.3石墨烯前2000篇高被引论文的顶级期刊的引用网络
（期刊发表阈值为30篇）

那么，究竟哪些期刊是高被引论文的蓄水池？图3.3的引证网络图揭示了其中的奥秘，ACS NANO、Advanced Materials和Nano Letters是位居前三的蓄水池。紧随其后的是两大化学综述期刊Chemical Society Reviews和Chemical Reviews。AM在构建整个期刊间的引证网络中占据重要位置。

图3.4 石墨烯前2000篇高被引论文中的核心关键词
（关键词出现频次阈值为15）

最后，在石墨烯高被引论文的关键词中，哪些是重要的课题？笔者以关键词出现15次为阈值，共有22个关键词出现在前2000篇高被引论文中。除去位居C位的石墨烯外，能源和催化占据了主要阵地，这恰恰可以解释近些年来的此类期刊影响因子的高歌猛进，各大出版商正是从整个论文发展总热点中进行了新刊的布局，并以此继续助推热门直至爆发。但，我们不能忽视那些边缘地带的与结构有关的拉曼光谱学、与其他二维材料家族的关联化，以及量子点的发展。

当然，那些能成为以上热点和火山的课题都是曾经被追捧的方向，如何从中找到新的，从0到1的突破，才是每个学者应该思考的，诸如魔角石墨烯、高温超导、新奇电子态以及临界条件下的物理化学演化等。

石墨烯已经走过孩提时代，想在此时入行的你，或者已深入其中想知其新的你，希望本文能对你有些许帮助，那将是笔者莫大的荣幸！

致敬石墨烯青春，一层烟雨洒满天。

百年孤独终现明，唯有真理不拖沓。

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