石墨烯的碳時代設想 何時才能到來？

　　時下，觸摸屏直板手機風靡全球，你能想象出屏幕可以任意彎曲、價格比現(xiàn)在還便宜的手機嗎?5月18日，中國首條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線投產(chǎn)暨石墨烯手機觸摸屏新品發(fā)布會在常州舉行，這標志著中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用方面邁出了關鍵性的一步。

　　未來，石墨烯可用以生產(chǎn)頻率更高、發(fā)熱量更小、信息量更大的計算機芯片。據(jù)估計，屆時芯片處理器的頻率有望達到1THz以上(現(xiàn)在商用CPU最好的為GHz量級，1THz=1000GHz)。

　　未來，用石墨烯制備的手機電池，三分鐘就充滿電，能打半個月電話。應用了石墨烯的光調(diào)制器，可使網(wǎng)絡速度快一萬倍。

　　未來，石墨烯可實現(xiàn)直接快速低成本的基因測序，幾個小時就能測定完你自己的基因序列或者很快就能從基因上鑒定某種疾病。

　　未來，用石墨烯還可開發(fā)出超輕型飛機、超堅韌的防彈衣、輕型汽車，甚至是直上九霄的太空電梯。

　　中科院在6月20日發(fā)布的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》研究報告中指出，未來5~10年世界可能發(fā)生22個重大科技事件，其中石墨烯將成為“后硅時代”的新潛力材料。

　　神奇的性能

　　石墨烯是一種由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維晶體，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。它是目前已知最薄的一種材料，單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度，屬于納米材料的一種。

　　2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)成功地在實驗室從石墨薄片中剝離出了石墨烯，兩人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。人們發(fā)現(xiàn)，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

　　石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮，特別是它的獨特性能，許多專家稱之為“改變21世紀的材料”，并預測“21世紀將是碳(C)的世紀”。

　　石墨烯具有超強的導電性，遷移率是硅的100倍。據(jù)專家介紹，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射，受到的干擾也非常小。因此電子的運動速度超過了在其他金屬單體或半導體中的運動速度，能夠達到光速的1/300。

　　石墨烯的導熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅鋁等金屬的數(shù)十倍，這使得石墨烯有望作為未來超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。石墨烯還具有比金剛石還堅硬、是鋼鐵100倍的機械強度，以及可拉伸折疊的柔韌性和優(yōu)異的透光性，透光率達到97.4%。

　　此外，石墨烯具有極高的比表面積，理想的單層石墨烯比表面積能夠達到2630平方米每克，而普通的活性炭的比表面積為1500平方米每克，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。

　　應用前景廣闊

　　剛誕生不久的石墨烯是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣泛的碳材料，在觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、軍工、復合材料、生物醫(yī)藥等領域擁有廣闊的應用前景，一旦量產(chǎn)將成為下一個萬億級的新興產(chǎn)業(yè)。

　　“目前從全世界范圍來看，石墨烯都屬于前沿研究，材料的研發(fā)仍處于初級階段，離大規(guī)模應用尚存在一段距離，但這并不意味著遙遙無期。”南京大學電子科學與工程學院教授王欣然說，最先進入市場的應該是手機、平板電腦等終端上的石墨烯觸摸屏，預計2年后就可以上市。而由石墨烯做的光電探測器、太陽能電池等光電器件也將于2015年逐步進入市場。但是，要求更高、工藝更為苛刻的高頻電路、邏輯電路則在更遠的將來才能走向市場。

　　中國科學院院士高鴻鈞也表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領域，成為國際上的研究熱點和競爭焦點。

　　據(jù)媒體報道，日前，中科院重慶綠色智能技術研究院已經(jīng)成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，其尺寸達到了國內(nèi)最高水平。中科院重慶研究院目前已經(jīng)在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯，并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面。通過進一步加工，還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。將石墨烯觸摸屏貼在一臺普通筆記本電腦的顯示屏上，用手寫筆可在屏幕上寫字。

　　在儲能領域，石墨烯有望在鋰離子電池和超級電容器發(fā)展上大顯身手。石墨烯優(yōu)異的導電性能和柔韌的二維層狀結(jié)構(gòu)，可以提高鋰離子電池和超級電容器的充放電速度、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性，有可能達到幾分鐘甚至幾秒鐘充滿電，這樣的石墨烯鋰電池在消費電子、電動汽車和儲能領域具有很大市場。

　　此外，用石墨烯制成的散熱薄膜可應用到智能手機、平板電腦、LED照明、LCD電視等超薄大功耗電子產(chǎn)品。功能化的石墨烯材料在生物醫(yī)藥、生物診斷和食品加工等領域也有極高的應用價值。

　　投資熱度升溫

　　由于石墨烯巨大的市場潛力，世界范圍內(nèi)掀起了石墨烯的研發(fā)和投資熱潮。目前三星電子、IBM、陶氏化學、通用、施樂公司等國際大牌廠商都在積極推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究。

　　資料顯示，目前全球有200多家公司涉及石墨烯的相關研究和開發(fā)，在產(chǎn)品專利數(shù)量上，中國和美國遙遙領先。對石墨烯行業(yè)有較深研究的英國科技策略機構(gòu)劍橋知識產(chǎn)權(quán)公司(CambridgeIP)的最新數(shù)據(jù)顯示，目前全球最大的10個石墨烯相關專利持有機構(gòu)分別是IBM、韓國高級科技儀器公司(KAIST)、韓國科技儀器公司(KIST)、萊斯大學、三星、美國晟碟、清華大學、韓國成均館大學、美國施樂公司、浙江大學。

　　劍橋知識產(chǎn)權(quán)公司董事長唐諾克表示，過去幾年中，亞洲地區(qū)特別是韓國和中國的石墨烯專利活動顯著增加。

　　在國內(nèi)，浙江大學、清華大學、北京大學、中國科學院金屬所、中國科學院寧波材料所、上海交通大學、東南大學、天津大學等高校及科研機構(gòu)在石墨烯的制備及應用領域申請了眾多專利。

　　截至今年6月，國內(nèi)機構(gòu)共申請石墨烯相關的發(fā)明專利3000多項，其中456項已經(jīng)獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)，主要集中在石墨烯的制備和石墨烯應用領域。

　　在石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用方面，江蘇走在了全國前列。2010年7月，泰州成立了國內(nèi)首個專業(yè)的石墨烯新材料公司，目前已具備較大規(guī)模。

　　2011年10月，常州成立了江南石墨烯研究院，為國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應用的產(chǎn)業(yè)化基地，引進了常州第六元素等多家高科技企業(yè)。泰州市政府還批準成立了國內(nèi)首個石墨烯研究與檢測平臺，為石墨烯的質(zhì)量檢測標準制定、石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用提供技術支持。

　　中國科學院寧波材料所劉兆平研究員領導的石墨烯研究團隊，于2011年成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石墨烯低成本規(guī)?；苽浼夹g，并建立了噸級規(guī)模的中試生產(chǎn)線。2012年，該技術轉(zhuǎn)移給上海南江(集團)有限公司，雙方合作成立寧波墨西科技有限公司，致力于石墨烯的生產(chǎn)、銷售與應用技術研發(fā)。年產(chǎn)300噸的石墨烯生產(chǎn)線計劃于2013年年底建成。

　　觸控面板產(chǎn)業(yè)正成為重慶發(fā)展電子信息高科技產(chǎn)業(yè)的又一重要方向。據(jù)預測，到2015年平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，其中石墨烯將占據(jù)重要市場。為此，上海南江集團將與中科院重慶研究院共同推進“大面積單層石墨烯產(chǎn)業(yè)化項目”，前期投資達2.67億元。日前，石墨烯產(chǎn)業(yè)基地已成功落戶重慶，將力爭在一年內(nèi)建成首期生產(chǎn)線并投產(chǎn)，形成1000萬片石墨烯產(chǎn)能。

　　隨著石墨烯的技術進步和產(chǎn)業(yè)化進程推進，市場對其關注度日趨升溫。涌現(xiàn)了幾十家涉及石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務的高科技企業(yè)。譬如上海新池、南京科孚納米、深圳貝特瑞等。其中不乏風險投資機構(gòu)的積極介入。

　　此外，國內(nèi)多家上市公司也進軍到石墨烯應用領域。方大炭素5月20日晚公告稱，其以石灰石為原料制備石墨烯的方法，近日收到國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的專利證書，專利權(quán)期限為20年。方大炭素稱，本發(fā)明與現(xiàn)有技術的優(yōu)點在于制備工藝過程簡單，原材料來源廣泛，成本低，安全性高，綠色環(huán)保。

　　悅達投資董事會主席陳云華今年三月透露，公司目前正在籌劃石墨烯產(chǎn)品研發(fā)，將主要應用于紡織服裝、汽車電池和手機等;2013年3月，南都電源公司公告正式申請石墨烯以及石墨烯電池兩項專利;2012年7月，華麗家族確認控股股東南江集團正在投建世界上第一條量產(chǎn)石墨烯生產(chǎn)線;中超電纜也于近日確認，2012年7月公司獲得有一項“含石墨烯的橡膠絕緣電纜”的有效專利;金路集團與中科院金屬研究所合作開發(fā)的“石墨烯材料的規(guī)?；苽浼夹g”已通過四川省科技廳專家鑒定。

　　產(chǎn)業(yè)化障礙

　　盡管石墨烯的研發(fā)如火如荼，在學術界、企業(yè)界和資本市場備受追捧，但如何大規(guī)模制備高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯是產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問題。

　　在7月13日召開的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資論壇上，多位專家表示，目前制備石墨烯的技術工藝還不成熟，沒有達到一致性的品質(zhì)，而且成品面積都非常小，不能適應工業(yè)化應用。石墨烯整體還在研發(fā)階段，各國對這個新興材料正處于專利布局期，產(chǎn)業(yè)鏈還沒有形成，對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構(gòu)的研究應用。

　　據(jù)介紹，石墨烯之所以沒有實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，主要是沒有找到一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的方法和途徑，這也是石墨烯成本居高不下的原因。目前，石墨烯的主要制備方法包括四種：微機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和化學氣相沉積法。

　　諾獎獲得者海姆和諾沃肖洛夫獲取石墨烯的方法，被稱之為微機械剝離法，即直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。這一方式至今仍是實驗室獲取石墨烯進行基礎研究的重要手段。該方法得到的石墨烯質(zhì)量高，但尺寸較小，大小不一，且極費人工，成本很高，不能滿足工業(yè)化需求。

　　外延生長法所獲得的石墨烯面積較大，質(zhì)量較高，但缺點是石墨烯的制作成本非常高，而且生長條件也很苛刻。這種方法生成的石墨烯不易轉(zhuǎn)移到別的基體上使用，因為在金屬表面上催化生長石墨烯，再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上，好比在一個足球場上鋪一層薄薄的保鮮膜，想讓它平平整整且完好無損，難度很大。

　　氧化石墨還原法是目前成本最低且最容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的石墨烯制備方法，它的缺點是在氧化還原的過程中，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性容易受到強氧化劑的破壞，進而影響石墨烯的分子特性。

　　化學氣相沉積法，雖然可以制備出大面積的石墨烯，轉(zhuǎn)移到其他基體上使用也不困難，但質(zhì)量仍有待提高，且工藝較為復雜，成本較高。

　　對石墨烯的研究，中國起步雖相對較晚，研究跟進卻很快。截至2012年底，被SCI收錄的與石墨烯相關的研究論文已經(jīng)達到5072篇，超過美國躍居世界第一。

　　“但我們存在兩個不足。首先，雖然研究群體大、成果多，但突出性、原創(chuàng)性成果較少。我們采用他人成熟的方法，始終處于落后位置，重大創(chuàng)新十分有限，因此要在材料制備方法上尋求突破。此外，主要集中在基礎研究，產(chǎn)業(yè)應用相對薄弱。”中國科學院院士高鴻鈞說，歐洲、美國、韓國等國企業(yè)介入比較早，成果應用轉(zhuǎn)化也走在世界前列。

　　清華大學康飛宇教授石墨烯研究團隊的朱宏偉認為，目前石墨烯已經(jīng)具備規(guī)模化生產(chǎn)的能力，但在發(fā)展過程中，仍存在一些問題。中國現(xiàn)有的技術水平可以支持其產(chǎn)業(yè)化，但并沒有達到最好的水平，未來還需有大的突破。而主要的制約因素在石墨烯的制備技術與理想狀態(tài)仍存在差距。此外，他希望國家能對石墨烯研究機構(gòu)及企業(yè)給予更多的政策扶持。

　　東南大學教授、博士生導師倪振華此前就加速石墨烯科研及產(chǎn)業(yè)化提出五點建議：一是從政府層面引導石墨烯研究的正確方向;二是通過政策支持加快產(chǎn)業(yè)化進程;三是盡快著手制定行業(yè)標準，爭取獲得話語權(quán);四是加強行業(yè)間的交流合作，促進石墨烯廣泛應用;五是成立相關產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟，加強行業(yè)內(nèi)部的協(xié)調(diào)和合作。

　　近幾年，石墨烯的興起也引起了中國政府的重視，去年工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料就包含石墨烯。此外，國家科技重大專項、國家973計劃也部署了一批重大項目。

　　在2013石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資論壇上，工信部原材料司副司長高云虎表示，石墨烯屬于納米材料范疇，在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的時候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產(chǎn)業(yè)應用前景也并不明朗，因此在規(guī)劃文本、產(chǎn)品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點，但隨著技術和應用的突破，下一步會統(tǒng)籌研究并予以考慮。

　　7月13日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在北京成立。聯(lián)盟的成立將有助于整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源，建立上下游、產(chǎn)學研信息、知識產(chǎn)權(quán)等資源共享機制，進一步提升石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)新水平和低成本石墨烯的競爭力，推動中國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

　　據(jù)了解，常州二維碳素科技公司研發(fā)團隊率先成功地將石墨烯薄膜應用于手機電容式觸摸屏，并實現(xiàn)石墨烯觸摸屏手機小批量生產(chǎn)。經(jīng)過第三方測試，石墨烯手機電容式觸摸屏的性能已達到了ITO觸摸屏的標準，可靠性能滿足用戶的要求。石墨烯觸摸屏不僅能任意彎曲，價格比現(xiàn)在通用iPhone觸屏便宜了近1/3，大規(guī)模應用后，或?qū)邮謾C價格下跌。