石墨烯的碳時(shí)代設(shè)想 何時(shí)才能到來？

　　時(shí)下，觸摸屏直板手機(jī)風(fēng)靡全球，你能想象出屏幕可以任意彎曲、價(jià)格比現(xiàn)在還便宜的手機(jī)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(jī)觸摸屏新品發(fā)布會(huì)在常州舉行，這標(biāo)志著中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面邁出了關(guān)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(jì)算機(jī)芯片。據(jù)估計(jì)，屆時(shí)芯片處理器的頻率有望達(dá)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(jī)電池，三分鐘就充滿電，能打半個(gè)月電話。應(yīng)用了石墨烯的光調(diào)制器，可使網(wǎng)絡(luò)速度快一萬倍。

　　未來，石墨烯可實(shí)現(xiàn)直接快速低成本的基因測序，幾個(gè)小時(shí)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(jī)、超堅(jiān)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(bào)告中指出，未來5~10年世界可能發(fā)生22個(gè)重大科技事件，其中石墨烯將成為“后硅時(shí)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(gè)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(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)成功地在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(dú)特性能，許多專家稱之為“改變21世紀(jì)的材料”，并預(yù)測“21世紀(jì)將是碳(C)的世紀(jì)”。

　　石墨烯具有超強(qiáng)的導(dǎo)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(dòng)時(shí)，不會(huì)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(yùn)動(dòng)速度超過了在其他金屬單體或半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度，能夠達(dá)到光速的1/300。

　　石墨烯的導(dǎo)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(jiān)硬、是鋼鐵100倍的機(jī)械強(qiáng)度，以及可拉伸折疊的柔韌性和優(yōu)異的透光性，透光率達(dá)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(dá)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(chǔ)能材料。

　　應(yīng)用前景廣闊

　　剛誕生不久的石墨烯是一種技術(shù)含量非常高、應(yīng)用潛力非常廣泛的碳材料，在觸摸屏、電子器件、儲(chǔ)能電池、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，一旦量產(chǎn)將成為下一個(gè)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(yīng)用尚存在一段距離，但這并不意味著遙遙無期。”南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王欣然說，最先進(jìn)入市場的應(yīng)該是手機(jī)、平板電腦等終端上的石墨烯觸摸屏，預(yù)計(jì)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(jìn)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(yuǎn)的將來才能走向市場。

　　中國科學(xué)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(yīng)用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，成為國際上的研究熱點(diǎn)和競爭焦點(diǎn)。

　　據(jù)媒體報(bào)道，日前，中科院重慶綠色智能技術(shù)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(dá)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(jìn)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(tái)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(chǔ)能領(lǐng)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(dǎo)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(dá)到幾分鐘甚至幾秒鐘充滿電，這樣的石墨烯鋰電池在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大市場。

　　此外，用石墨烯制成的散熱薄膜可應(yīng)用到智能手機(jī)、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(lǐng)域也有極高的應(yīng)用價(jià)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(xué)、通用、施樂公司等國際大牌廠商都在積極推進(jìn)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(guān)研究和開發(fā)，在產(chǎn)品專利數(shù)量上，中國和美國遙遙領(lǐng)先。對石墨烯行業(yè)有較深研究的英國科技策略機(jī)構(gòu)劍橋知識(shí)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(gè)石墨烯相關(guān)專利持有機(jī)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(xué)、三星、美國晟碟、清華大學(xué)、韓國成均館大學(xué)、美國施樂公司、浙江大學(xué)。

　　劍橋知識(shí)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(dòng)顯著增加。

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

　　截至今年6月，國內(nèi)機(jī)構(gòu)共申請石墨烯相關(guān)的發(fā)明專利3000多項(xiàng)，其中456項(xiàng)已經(jīng)獲得國家知識(shí)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(yīng)用領(lǐng)域。

　　在石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(gè)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(gè)基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地，引進(jìn)了常州第六元素等多家高科技企業(yè)。泰州市政府還批準(zhǔn)成立了國內(nèi)首個(gè)石墨烯研究與檢測平臺(tái)，為石墨烯的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)制定、石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

　　中國科學(xué)院寧波材料所劉兆平研究員領(lǐng)導(dǎo)的石墨烯研究團(tuán)隊(duì)，于2011年成功研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨烯低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)，并建立了噸級規(guī)模的中試生產(chǎn)線。2012年，該技術(shù)轉(zhuǎn)移給上海南江(集團(tuán))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(yīng)用技術(shù)研發(fā)。年產(chǎn)300噸的石墨烯生產(chǎn)線計(jì)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(yù)測，到2015年平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)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(tuán)將與中科院重慶研究院共同推進(jìn)“大面積單層石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”，前期投資達(dá)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(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程推進(jìn)，市場對其關(guān)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(wù)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(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)的積極介入。

　　此外，國內(nèi)多家上市公司也進(jìn)軍到石墨烯應(yīng)用領(lǐng)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(shí)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(dá)投資董事會(huì)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(yīng)用于紡織服裝、汽車電池和手機(jī)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(xiàng)專利;2012年7月，華麗家族確認(rèn)控股股東南江集團(tuán)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(rèn)，2012年7月公司獲得有一項(xiàng)“含石墨烯的橡膠絕緣電纜”的有效專利;金路集團(tuán)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(shù)”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(xué)術(shù)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(shù)工藝還不成熟，沒有達(dá)到一致性的品質(zhì)，而且成品面積都非常小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。石墨烯整體還在研發(fā)階段，各國對這個(gè)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(jī)構(gòu)的研究應(yīng)用。

　　據(jù)介紹，石墨烯之所以沒有實(shí)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(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和化學(xué)氣相沉積法。

　　諾獎(jiǎng)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(jī)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(shí)驗(yàn)室獲取石墨烯進(jìn)行基礎(chǔ)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(fèi)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(diǎn)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?yàn)樵诮饘俦砻嫔洗呋L石墨烯，再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上，好比在一個(gè)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的石墨烯制備方法，它的缺點(diǎn)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(qiáng)氧化劑的破壞，進(jìn)而影響石墨烯的分子特性。

　　化學(xué)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(fù)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(jìn)卻很快。截至2012年底，被SCI收錄的與石墨烯相關(guān)的研究論文已經(jīng)達(dá)到5072篇，超過美國躍居世界第一。

　　“但我們存在兩個(gè)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(chǔ)研究，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對薄弱。”中國科學(xué)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(yīng)用轉(zhuǎn)化也走在世界前列。

　　清華大學(xué)康飛宇教授石墨烯研究團(tuán)隊(duì)的朱宏偉認(rèn)為，目前石墨烯已經(jīng)具備規(guī)?；a(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(shù)水平可以支持其產(chǎn)業(yè)化，但并沒有達(dá)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(shù)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(jī)構(gòu)及企業(yè)給予更多的政策扶持。

　　東南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師倪振華此前就加速石墨烯科研及產(chǎn)業(yè)化提出五點(diǎn)建議：一是從政府層面引導(dǎo)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(jìn)程;三是盡快著手制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，爭取獲得話語權(quán);四是加強(qiáng)行業(yè)間的交流合作，促進(jìn)石墨烯廣泛應(yīng)用;五是成立相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，加強(qiáng)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(xiàng)、國家973計(jì)劃也部署了一批重大項(xiàng)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(shí)候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(diǎn)，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的突破，下一步會(huì)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(shù)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(xué)研信息、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等資源共享機(jī)制，進(jìn)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(dòng)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(tuán)隊(duì)率先成功地將石墨烯薄膜應(yīng)用于手機(jī)電容式觸摸屏，并實(shí)現(xiàn)石墨烯觸摸屏手機(jī)小批量生產(chǎn)。經(jīng)過第三方測試，石墨烯手機(jī)電容式觸摸屏的性能已達(dá)到了ITO觸摸屏的標(biāo)準(zhǔn)，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(jià)格比現(xiàn)在通用iPhone觸屏便宜了近1/3，大規(guī)模應(yīng)用后，或?qū)?dòng)手機(jī)價(jià)格下跌。