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关于石墨烯的梦想与现实

石墨烯发现十余年来,无论是科技界还是企业界都对其寄予厚望。然而,科学家们也承认,石墨烯时代还需要等待。诺沃肖洛夫本人也认为,作为一种新材料,石墨烯“前途虽光明,但是道路必曲折”。不仅在技术上需要克服重大的关键环节,在商业应用方面也有更新换代所需要的投入产出比问题。

关于石墨烯的梦想与现实

用石墨烯制造出的超轻材料—“碳海绵”。CFP

关于石墨烯的梦想与现实

石墨烯在柔性电子方面的应用。

关于石墨烯的梦想与现实

海姆制备石墨烯的工具。资料图片

近10年来,“石墨烯”成了一个热门词语,引发了全世界的追捧浪潮。这种听上去平实无华的物质之所以一经发现便迅速被冠以“21世纪所发现的最神奇材料”,全赖其所具有的无与伦比的物理和化学特性——它是迄今为止所发现的最薄、最硬,也是电阻最低的一种“超级”纳米材料,多领域的广泛应用前景给石墨烯带来巨大的市场开发价值和商业价值,应用潜力难以估量。

石墨烯的奇妙之处

众所周知,人们常见的石墨是一层层以蜂窝状有序排列的碳原子堆叠而形成的。但是一直以来,石墨烯却被认为是不可能在自然界中稳定存在的。实际上,当石墨被剥离到单层、只有一个碳原子厚度时,所得到的石墨片就是石墨烯,这在下文会提到。它看上去就像是一张六边形网格构成的平面。这种独特的二维结构使之具有诸多优异性能。

石墨烯的奇妙之处,似乎只有用量子物理学的概念方能充分诠释。它薄,可以薄到只有一个碳原子的厚度,一毫米厚的石墨薄片中能够剥离出300万层石墨烯;它硬,它比钢要硬上百倍;它透明而不透气,在可见光下是透明的,但不透气,这令它非常适合被用于制作保护层和触摸屏、光伏电池等电子产品的原料;它导热、导电奇佳,电阻比现有的良导体铜和银还要低许多,极其适合被用以开发更薄、速度更快的新一代电子元件。

误打误撞”发现石墨烯

2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验室中成功地从石墨中分离出石墨烯,从而证实它可以单独稳定存在。师徒二人也因“关于二维石墨烯材料的开创性实验”而一同获得2010年的诺贝尔物理学奖。

海姆在实验室制得石墨烯的方法说来难以置信地简单而原始:他偶然发现,用普通透明胶带粘住石墨薄片的两侧,然后撕开胶带,薄片随之一分为二,而不断重复这一过程,就能得到越来越薄的石墨薄片,最后得到的样品中就有由一层碳原子构成的石墨烯。海姆在总结他的实验方法时说:“没别的,就是误打误撞的乱试一气。碰对了,就成了。”曾有报道说,海姆的“乱试”(try crazy things)在同行中是出了名的。在他身上还有一项纪录值得一提:他是有史以来获得“两个诺贝尔奖项”的第一人。除了发现石墨烯这一次,另一次是因成功地利用强磁场把青蛙悬浮在空中而荣获2000年的“搞笑诺贝尔奖”。当年他还一本正经地出席了颁奖典礼,当时可能没人会想到,10年后他获得了真正的诺贝尔奖。

2012年10月,诺沃肖洛夫与其他科学家在《自然》杂志上发表了题为《石墨烯路线图》的文章,描述了石墨烯在柔性电子(包括触摸屏、电子纸、可折叠OLED等)、光子器件、复合材料、能量存储、传感、生物医学等诸多领域的应用。简而言之,石墨烯应用大有可为。

英国的石墨烯战略

作为石墨烯的发现国,英国已将其确定为国家创新战略的重要新兴技术之一,充分利用天时、地利、人和,力争成为世界领先的石墨烯研发和制造基地。

2011年,英国政府宣布投入5000万英镑支持石墨烯研究,包括建立总投资达6100万英镑的国家石墨烯研究院;2012年12月,英国政府增拨2150万英镑用以资助石墨烯材料应用领域的研究;到了2014年9月,英国又宣布投资6000万英镑成立石墨烯工程创新中心,作为国家石墨烯研究院的补充,以期加速石墨烯应用研究和开发。由此可见,英国致力于石墨烯研发及商业化的决心和力度之大,正如英国财政大臣奥斯本所言,英国政府将“致力于确保让英国的发现在英国做出名堂来”。

热门的石墨烯甚至还曾惊动了英国的金融监管机构。2013年底英国金融市场行为监管局(FCA)曾专门就社会上的一些石墨烯投资骗局发出警告,提醒投资者小心上当。“有些以石墨烯为名的投资机会其实可能压根儿就与石墨烯毫无关系。”FCA的官员说,石墨烯的巨大市场前景和商业价值固然有着很强的吸引力,但如何实现工业化的大规模生产目前仍在探索中,石墨烯不可能很快走向市场。

鉴于石墨烯材料的广泛应用前景,欧盟也投巨资资助英国的石墨烯市场研发。2013年1月,曼彻斯特大学石墨烯研究项目获欧盟委员会总额达10亿欧元(按当时汇率约合8.55亿英镑)的“未来新兴科技”项目拨款,这笔巨额科研经费是欧盟委员会最高金额的研究拨款,将在未来十年内陆续划拨给曼彻斯特大学。

石墨烯的时代还有多远

石墨烯发现十余年来,无论是科技界还是企业界都对其寄予厚望。然而,科学家们也承认,石墨烯时代还需要等待。诺沃肖洛夫本人也认为,作为一种新材料,石墨烯“前途虽光明,但是道路必曲折”。不仅在技术上需要克服重大的关键环节,在商业应用方面也有更新换代所需要的投入产出比问题。

实际上,石墨烯的生产仍是一大难关,海姆与诺沃肖洛夫的手工发现显然无法实现大工业的量产。而目前的各种替代制备方式都有各自的局限,要么损失强度,要么成本太高。迄今,科学家都还没能找到适合工业化大规模生产推广的技术。石墨烯在电学性能方面也不是没有缺陷,它和金属电极的接触点电阻问题也一直是困扰科学家们的难题。更令人担忧的是石墨烯的环境风险,石墨烯被认为对人体可能有毒害风险。当然,很多材料都有毒,本来它们也不是食品原料——但石墨烯有个潜在的风险在于它可能很容易扩散。

面对石墨烯热潮,诺沃肖洛夫认为不能太夸大其作用。他表示,石墨烯的潜能也许只有在全新的应用领域里才能充分体现。要发挥其作用,就要在产品开发设计时就考虑到这种材料的特性。总之,这位发现者认为,石墨烯不是来颠覆旧材料的,而是来寻找真正属于它的新平台的。(本报驻伦敦记者 戴军)

多国布局石墨烯研发

石墨烯大规模产业化尚需时日,研究和创新是法宝。特别是自英国曼彻斯特大学两位教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因2004年在石墨烯研究方面的杰出成就而荣获2010年诺贝尔物理学奖后,除英国外,许多国家和地区对石墨烯研发的支持力度进一步加强,仅以美国、韩国、中国为例。

美国通过国家自然科学基金等机构持续支持。2006年至2011年间,美国国家自然科学基金会关于石墨烯的资助项目近200项,重点项目包括石墨烯基超级电容材料、石墨烯材料连续大规模纳米制造等。美国国防部先进研究项目局还于2008年启动了碳原子射频应用项目,总投入2200万美元,开发超高速、超低功耗石墨烯基射频电路,即用石墨烯制造计算机芯片和晶体管。2012年,美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景,预示着未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。

韩国产学研合作促进石墨烯商业化。原韩国知识经济部曾计划在2012年至2018年向石墨烯领域提供2.5亿美元资助,其中1.24亿美元用于石墨烯技术研发,1.26亿美元用于石墨烯商业化应用研究。2013年,韩国产业通商资源部宣布,将整合韩国科研机构与企业力量推进石墨烯商业化发展,41家科研机构与6家企业形成石墨烯联盟,政府将在未来6年投入4230万美元,帮助企业实现石墨烯的应用产品与相关技术商业化,希望以此打造每年约153亿美元的市场,形成25家全球领先企业。

中国政府日益重视石墨烯材料的研发应用。在石墨烯领域,中国与发达国家基本同处起跑阶段。国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向部署了一批重大项目,取得了一批创新成果,国际影响力逐步提升。国家自然科学基金委也投入不菲,2007年至2012年石墨烯研究累计资助经费达3.3亿元。2012年,工业和信息化部把石墨烯列入《新材料产业“十二五”发展规划》。地方政府对石墨烯产业的兴趣也日益升温,宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地纷纷设立石墨烯产业园区。中国石墨烯产业技术创新战略联盟于2013年成立,旨在推动石墨烯产业化。

(中国科学技术信息研究所供)

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