近年來，石墨烯因其獨特的單原子厚度二維結構以及在強度、柔韌性、導電、導熱等方面的優異表現而備受關注，在材料、能源、信息、環境等領域都有著廣泛應用。面向以工業4.0為代表的新工業革命，關于石墨烯的制備、開發和應用研究面臨著新的機遇和挑戰。
2017年1月，在人民大會堂舉行的國家科學技術獎勵大會上，石高全和他的團隊憑借“化學修飾石墨烯可控組裝與復合的基礎研究”這一項目獲得2016年度國家自然科學獎二等獎。該項目主要研究了化學修飾石墨烯的大分子行為，建立了石墨烯化學修飾、可控組裝與復合的新方法，研制了系列石墨烯功能材料并探索了其在能源領域中的應用，為揭示化學修飾石墨烯結構與性能的關系、構建新型石墨烯功能材料、推進其工業化進程提供了重要的知識積累、理論基礎與技術支撐。
十年長路 求索不止
石墨烯本來就存在于自然界，但卻難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，而單層石墨烯的性能與石墨卻有著天壤之別。如何剝離出單層的石墨烯，在十多年前面臨著重重困難。
石高全與石墨烯結緣是在一次學術會議上。一位物理學家在會議上介紹了物理剝離石墨烯的方法：先從石墨中剝離出石墨片，然后把薄片的兩面粘在特殊的膠帶上，撕開膠帶就能把石墨片一分為二。如此反復多次，薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨烯就制成了。“這種制備方法成本十分高昂，我開始思考能不能用化學方法制備石墨烯”，石高全說。石高全后來查閱文獻時發現，當時已有的化學制備方法主要運用氧化剝離的方法，但這種方法制備出的石墨烯不能在溶劑中分散和溶解。博士階段專注于一維共軛高分子材料研究的石高全敏銳地發現，石墨烯從結構上可以看成是二維共軛高分子。于是，石高全及其團隊將石墨烯作為二維共軛高分子進行研究的漫漫長路就此開始。
對共軛高分子的研究從一維轉向二維層面，既是石高全對自己研究領域的拓展，又面臨著巨大的挑戰。“做研究沒什么特別的，我們一步一步向前走，以解決基本的科學問題為目的”，石高全回憶十年來對石墨烯的研究時說。石高全團隊對石墨烯的研究從2007年開始，2008年團隊在國際期刊發表了第一篇研究論文。十年來，團隊發表與石墨烯相關的SCI論文115篇，論文被引用15000多次，申請相關專利6項，已授權3項。然而在石高全看來，論文發表只是研究實現突破的客觀結果，不必刻意追求，真正支撐他堅持至今的有更深層的動力。他說：“石墨烯結構獨特，性能出色，一直吸引著我不斷去探索。而作為二維的分子，大家對石墨烯的認識還不是很清楚，它的應用還有賴于基礎研究的突破，所以我們要一直做下去。”
精誠合作 薪火相傳
石高全組建了一支以研究生為主干力量、充滿活力的年輕隊伍。談起研究取得突破的訣竅，他說：“一個團隊就像一個家庭，精誠合作、氛圍融洽十分重要。”
石高全的團隊正是這樣一支精誠合作的團隊。“課題組每個學生的課題都不一樣，不存在競爭關系，而是互相關聯、互相配合。從石墨烯的制備、修飾到石墨烯在傳感器、催化劑、驅動器件的應用等，每個人都有明確的分工”，石高全說。
放手讓學生去做研究是石高全培養學生的一貫作風。在對學生進行一系列訓練后，便充分發揮學生的積極性。石高全把他的團隊比作一支足球隊：“老師要扮演的角色是足球隊的教練，他不會在場上踢球，但要有發現問題的敏銳性和把控方向的能力。學生要沖到第一線，處理每一個細節，比如觀測實驗現象并清楚它的意義等。作為老師，我們會及時糾正學生在研究方向上的錯誤，適當改變他們的研究策略，防止他們走彎路。”
憑著齊心協力、勤奮鉆研的干勁兒，石高全團隊攻下了石墨烯領域一個又一個科研難題。每天8點之前到實驗室，每星期工作6天，石高全堅持嚴格執行這樣的作息時間，帶動實驗室團隊不斷奮進。每天十幾個小時的科研時間里，石高全并不要求學生一直做實驗，“我常跟學生們說，希望你們用一半的時間去思考，沒有思考的研究往往會犯很多錯誤。不能做原理不通或者一味求新的實驗。做實驗之前一定要問，做了之后誰會受益，意義何在。”
在攻堅克難的過程中，石高全十分重視對學生的培養。“老師最大的動力和幸福感來源于培養學生解決問題的能力”，石高全說。據了解，石高全有二三十個學生從事教學科研工作，還有的學生在工業界發揮著重要作用。
基礎研究 魅力無限
團隊經過多年的悉心灌溉，終于收獲了創新的果實。團隊創造性地提出了具有共軛結構小分子或高分子非共價修飾制備水溶性石墨烯的新方法。簡而言之就是采用非共價修飾的方法在石墨烯的表面修飾一些基團，讓它從不溶解的狀態變成可溶的狀態，同時保留石墨烯本身的性能和結構，并賦予它新的功能。這一新方法為發展和完善可溶性石墨烯制備技術提供了新思路。
同時，團隊在國際上率先開展了化學修飾石墨烯溶液組裝行為、三維組裝結構與性能的研究，制備了系列具有多維度、多級次微結構的石墨烯塊體材料，并探索了其應用。“把石墨烯作為組裝的基元，搭成三維組裝的結構，最大限度地保持它的比表面積和單片的性質，可以做成薄膜、水凝膠、柔性電子器件等，這在國際上也是具有開創性的”，石高全說。
項目的成果不止于此。團隊還建立了制備化學修飾石墨烯復合材料的新策略，揭示了復合組份與石墨烯片間的協同作用機理。團隊將石墨烯和其他組分組裝復合，再加工成型，使其性能最大化。此項突破為開展石墨烯復合材料研究開辟了新方向，也為推動石墨烯材料在能源器件中的應用作出了重要貢獻。
雖然取得了矚目的成績，石高全仍在石墨烯的研究領域深耕不輟。談及原因，石高全說：“現在要做的事情還有很多。將實驗室的成果與現有的工藝結合起來做成產品的過程中會遇到很多問題，比如新的材料不能完美適應現有的工藝、性價比不高等。原材料和工藝都要建立一套新的體系，而最重要的是從原材料本身進行研究和控制。”
團隊關于石墨烯的研究是一項重要的基礎研究，也就注定取得突破需要長時間的付出。基礎研究可以說貫穿了石高全到目前為止的整個研究生涯，并將一直延續下去。石高全說：“基礎研究無止境，任何時候都不能說已經把事物都認識透徹了。現在石墨烯的應用不夠完善的原因，恰恰在于它的基本問題沒有被解釋得很清楚。只有在基礎研究完善的情況下才能實現應用的突破，因為基礎研究是知識創新的源頭。”
“板凳一坐十年冷”，帶著對基礎研究的執著與熱情，石高全和他的團隊又像往常一樣，在實驗室里開始了新一天的探索。下一個十年，讓我們期待在這樣一個簡單純粹、勤奮踏實的實驗室里，誕生出新的推動基礎研究進程的重大科技成果。
