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角力石墨烯

不过形势也不是一片灰暗,中航已经找到了适合自己的研发模式,而且我们有基数庞大的科学家和科技企业,制度变革也正在发生着。同时,石墨烯这类颠覆性的科研命题的竞赛,注定是一场长跑,我们还有时间。

石墨烯是目前最为耀眼的前沿材料,是科技界和市场追逐的热点。在这场石墨烯的角逐中,中国科技界的表现有惊喜,更有似曾相识的不足。

相比美、韩,中国有其明显缺点。美国有富有活力的科研体系,高水准的成果和领军人才批量涌现;美国还有专业高效的科技风投。两相结合,成就了今日美国科创的优势。反观中国,半封闭的科研体系正在改革,科技成果的产业化正在摸索,科技工作者的考核和激励机制还未走上正途。

韩国基本走过了初级模仿的阶段,科研体系可以和欧美对接,可以吸纳高水准海外技术人员。同时,韩国大型企业找到了自己的科创之路,在一些关键领域展露锋芒。韩国政府在大型科研项目的组织上展现出其专业性。反观中国,科研体系还有制度性障碍,无法吸引全球性人才,官产学研还未理顺,地方政府对科技的投入还处于无序的“县域竞争”阶段。

不过形势也不是一片灰暗,中航已经找到了适合自己的研发模式,而且我们有基数庞大的科学家和科技企业,制度变革也正在发生着。同时,石墨烯这类颠覆性的科研命题的竞赛,注定是一场长跑,我们还有时间。

从没有哪个新材料有过石墨烯这样的风头,它出现在任何行业都会被视为潜在颠覆者。

石墨烯由单层碳原子以sp2杂化轨道组成的平面薄膜,因为只有一个原子厚,被视为二维材料,是我们三维世界中的异数。拜结构特殊之赐,石墨烯是目前最薄、强度最高、导电性能最好的材料,如果愿意,这个清单可以开列很长。由此,石墨烯在储能、集成电路等领域被寄予厚望。

石墨烯自问世以来一直很有热度,去年的两则新闻把这种热度推上顶峰:特斯拉CEO马斯克表示,采用了石墨烯的特斯拉汽车,很快能行驶805公里,相比目前电池能量密度增长近70%;西班牙科尔瓦多大学表示研究出首例石墨烯聚合材料电池,可使得电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。充电一次可以跑500-600公里。

如果石墨烯在储能领域发挥这么大的作用,则困扰电动车的诸多瓶颈一举突破,新能源时代触手可及,将大大改写目前的能源格局,其重要性怎么强调都不为过。资本市场闻风而动,各种概念股漫天飞舞。但是,围绕这一点,争议尤为激烈。很多专业人士斥石墨烯为概念炒作,认为至少在目前,石墨烯所能发挥的作用被远远地夸大,尤其它在储能领域的作用微乎其微。

不过争议不妨碍对石墨烯的巨资投入,2013年欧盟委员会拿出10亿欧元研究石墨,英国已投入1.21亿英镑资助曼彻斯特大学研究石墨烯,韩国知识经济部将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助。在中国更是热得发烫,重庆、江苏常州、浙江宁波已经出现了规模庞大的产业园区。2012年,工信部在新材料“十二五”规划中将石墨烯列入前沿材料目录。国家自然科学基金委在2007-2013年期间 资助了1096项与石墨烯有关的基础研究计划。科技部围绕石墨烯的制备、工艺、材料等方向支持了一批重大专项和科技支撑计划项目。

高难度的制造工艺

各方重金投入,除了看好其前景,也因为石墨烯是个烧钱的难题。在讨论石墨烯如何应用于电池之前,获得合格石墨烯产品是第一关。石墨烯的独特结构是把双刃剑,给它带来优异特性的同时,为其产业化带来了很多很多难点,为下游产品的制造增加了难度。

二维材料之前从来没有获得过,石墨烯只是科学家的一个假想,但在2004年,这个假想由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫实现,他们从石墨中分离出石墨烯,两人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖,后来曼彻斯特大学的石墨烯研究项目获得了英国大笔资助。

他们的制造方法很巧妙,由于石墨的层状结构,每个原子层之间的结合力相对微弱。若两块石墨相互摩擦,就会有一片石墨(包含很多层)被整体剥离。这个特性给了科学家们灵感,他们想到用“透明胶法”制造二维的石墨烯:如果用足够强力的透明胶粘住石墨层的两个面,然后撕开,使之分为两片,较其本体就薄了很多,然后不断重复如上剥离,直到获得只有一层原子厚的石墨烯。这是个复杂工程,因为1毫米厚的石墨薄片能剥离出300万层石墨烯。

在现实操作中,他们用了光束、电子束和原子力显微镜等设备来操作,远非描述的这样简单。这一技术几乎对具有片层状结构的材料都一样适用,他们还成功剥离了氮化硼和几种二硫化物的二维晶体。

“这种方法能获得目前最好的产品,但这种方法的难度太大,成本太高,限制了其批量制造的前景。”中科院上海微系统所(下称中微所)的姜达研究员对《东方早报·上海经济评论》记者说,他的小组正在从事石墨烯的基础研究。记者在其实验室对他进行了采访,姜达用电子显微镜展示了他们获得的石墨烯,显微镜下,石墨烯的结构隐约可见。

2014年12月姜达所在小组关于石墨烯超导的论文发表在Nature的子刊上,2015年3月12日,同一部门的唐述杰等人,在国际上首次通过引入气态催化剂的方法实现石墨烯单晶在六角氮化硼表面的高取向快速生长。

据姜达介绍,“剥离获得的石墨烯的质量是最好的,但只能获得非常小的一块,所以在产业化中很难实现。不过,通过这种办法获得的石墨烯对于实验室中基础研究是非常好的材料,石墨烯在常温下的超高导电率,使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速,几乎达到了人们梦寐以求的境界。具体在物理性质上,即便很小一块也对科研的帮助非常大,因为以往超导现象是在极低温下才能显现,石墨烯却能在高于液氮的温度下实现超导。”

一个原子厚的二维材料可以在实验室获得,但在生产线上批量获得,即便有办法,其成本也增加很多。而且在生产中,获得的是单层和多层混合的产品,所以目前有很多机构和研究者,把几个原子层厚但低于5层的薄膜材料也称为二维材料。这一点存在争议,苏州第一元素纳米科技公司的董事长董明,在法国波尔多获得材料博士学位,美国佐治亚理工学院的博士后,长期从事纳米材料研究,在他看来,只要没有做到单层碳原子层,就不能称其为石墨烯,“单层和多层产品的化学结构都不对,那它的性质也就有很大差异,怎么能都叫石墨烯呢。不能因为做不出来产品,就修改产品概念,那单层和多层干脆就是两样东西。单层碳原子是以碳碳双键结合,多层就是石墨鳞片了。”

目前已经有大量的企业在产业化开始了尝试。重庆墨希科技有限公司,在2013年达到年产100万片石墨烯薄膜。中国最大的石墨烯粉体生产线在常州第六元素材料科技股份有限公司投产。2014年,常州二维碳素科技有限公司的石墨烯薄膜生产线,达到10亿平方米的产能。

姜达对目前石墨烯的产业化谨慎乐观,“在我看来,国内石墨烯领先的研究机构主要是清华和中科院,比如中科院宁波所、中科院金属所等。做得较好的企业基本都是和这几家科研机构有合作。如宁波墨西科技、常州的第六元素、二维碳素等。这都是热门公司,而且韩国、美国的大企业也在积极介入,但石墨烯的大规模生产不是一两年可以看到的,同样是碳族材料的碳纳米管,1990年代初就被发现了,但是到现在也没有像样的东西出来,已经慢慢被人遗忘了。乐观点讲,如果能解决材料质量和成本,石墨烯离成功是不太远。不过还是要保持清醒,石墨烯虽然在实验室能取得很好的结果,但现在下游产品开发不太顺利,在微电子方面的应用也没有成型的产品。如果下游材料没有开发好,只要换一个材料,最终的产品线就要随之改变很大。现在需要很多人去做下游产品的开拓。”

董明对石墨烯的产业化成果持批评态度,“有的公司宣称生产了几百吨,但我没有看到一家真正拿出达标的产品。”

目前在江浙有一大批民营企业进入石墨烯行业,据浙江大学教授、浙江纳米材料开发应用协会秘书长关君正介绍,“目前产业上较为主流的做法是CVD化学沉降法和氧化还原法,其他方法不如这两种。这两种方法最有前途。但现在有很大的难题,由CVD法获得的石墨烯不是一层原子,有好几层,目前很多企业和机构在集中攻关,如果这个问题不解决,石墨烯的质量很差;而石墨烯氧化还原法相对容易一点,但污染很大,而且层数也不可控,同时,做出来的产品会在当中出现缺口,像渔网一样有一些空格。”

姜达的同事,中微系统所的研究员丁古巧从事石墨烯的产业化已经近三年了,主要从事石墨烯粉体的产业化研究。目前丁古巧兼任上海新池能源科技有限公司的技术总监,在他看来,石墨烯产业的下游应用还是处于前期,只能做一些小应用,如生产羽毛球球拍之类的应用,市场很小。

“我们已经做了三年,2014年之前,我们只做原材料,后来正泰电器入股,现在我们自己做超级电容、电池的应用。然后和下游企业合作,我们现在已经开始做电子产品上的应用。”

丁古巧透露,新池能源由正泰电器、中微所以及丁古巧团队三方组建,“出资方对未来三年的投入比较明确。”

2014年12月浙江正泰电器股份有限公司公告称,“出资1012.5万元购买上海新池能源科技有限公司80%股权。新池能源主要从事石墨烯粉体的研发、生产、销售和服务。”

对于如何判断哪家企业是真的在做石墨烯,丁古巧的标准很简单,“如果企业不能参与市场竞争,不拿出产品,那就是骗人,他们的项目就有很大风险。”

金路集团是一家折戟石墨烯的上市企业,2014年12月22日,金路集团发布公告,将其与中科院金属研究所合作的石墨烯项目相关知识产权和技术成果以1848万元的价格转让,引发了几十名股民诉讼,持有金路集团的股民认为,金路集团此举存在利益输送嫌疑。在此之前,金属所在石墨烯领域是较早着手的院所,实力一直为外界所看好。而金路集团的股价也一路看涨,从2014年年初的4.86元,到2014年年中涨到8.25元。因而在金路集团突然宣布放弃石墨烯项目,自然引发反弹。

而金路集团董秘刘邦洪则诉苦,“对于石墨烯这个行业,股民没有我们接触得深。烯碳公司2014年全年销售还不够一个人工资,实验室的技术走到产业化还有很长的路,有很大的不确定性。很多机构都没有到现场去看,到现场看了有很大的差异。”

目前石墨烯粉体材料已经能够在市场上销售,它被应用于涂料添加、防腐涂料。但董明觉得这些应用和人们初期对石墨烯的高期望值相背离,“涂料是低端应用,市场不大,即便如此它还是目前仅有的几个可以推向市场的应用。而之前石墨烯讲的都是高大上的故事。要是真有成果,应该会出来一个大企业把整个行业垄断了。但现在只是大家看到了一个苗头,有这个方向,很多人是跟着起哄的。”

虽然目前的粉体类的应用比较基础,但对于石墨烯企业意义重大,毕竟能够产生现金流。常州第六元素材料科技股份有限公司(下称第六元素)是较早进行产业化生产的企业,其首席科学家朱彦武向记者介绍了第六元素的策略,“比较科学的路径肯定先按市场需要来,先做相对明确和容易实现的,要先有造血功能。”

朱彦武目前是中国科技大学材料科学与工程系的教授,曾经在美国得州大学奥斯丁分校进行博士后研究,师从全球石墨烯领域领军人物Rodney S Ruoff教授,Ruoff教授在金刚石、富勒烯、纳米碳管和石墨烯领域成果丰硕。

朱彦武称,第六元素已经和Ruoff教授达成协议,Ruoff教授将和第六元素做一些紧密合作。

以上各种纷繁复杂的研发模式中,比较引人注目的是科学家们以院所为基地,再和企业进行股份合作,甚至也有院所的科研团队和风投直接合作。这显然异于早先科学家完全离开院所下海创业的模式,大大降低了创业难度。

本文来自东方早报,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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