石墨烯：引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)革命的超級(jí)材料

上圖 為可彎折的石墨烯觸摸屏和我國首批量產(chǎn)的石墨烯手機(jī)。(資料圖片)

中圖 石墨烯圖片。(資料圖片)

下圖 用石墨烯制作的口罩。(資料圖片)

近日，中國航發(fā)航材院、中國航發(fā)集團(tuán)公司和北京市政府共同出資10億元，聯(lián)合發(fā)起設(shè)立全國有控股公司——北京石墨烯技術(shù)研究院有限公司，積極創(chuàng)建石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心。秉持著“全球第一的石墨烯復(fù)合技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)孵化中心”的建設(shè)目標(biāo)，該公司立志通過1至2年的發(fā)展成為代表國家形象、有國際引領(lǐng)作用的新材料研發(fā)中心。

從導(dǎo)電材料到電磁再到纖維，跨越26個(gè)領(lǐng)域的石墨烯，以其獨(dú)特的應(yīng)用特性，掀起了一場(chǎng)席卷全球的新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命，引發(fā)巨大關(guān)注。那么，石墨烯到底是什么?為什么會(huì)被稱為“超級(jí)材料”?

“改變21世紀(jì)”的神奇材料

石墨烯是一種從石墨中剝離出來，由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料，厚度僅為一個(gè)碳原子，是目前已知的世界上最薄的材料。石墨烯是六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，強(qiáng)度是鋼的100多倍。它是已知材料中電子傳導(dǎo)速率最快的，具有97.7%的透光率，并具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率。通俗地講，目前在自然界中，石墨烯這種材料最薄、最結(jié)實(shí)、導(dǎo)電性極好，在工業(yè)領(lǐng)域中幾乎無所不能?？梢哉f，“超級(jí)材料”這一稱號(hào)對(duì)于石墨烯是名副其實(shí)。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用微機(jī)械剝離方法首次獲得了石墨烯。2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中國航發(fā)航材院院長戴圣龍介紹說，“石墨烯產(chǎn)品具有顆粒狀和薄膜狀兩種形態(tài)，由于諸多獨(dú)特而卓越的性質(zhì)，石墨烯在電子器件、高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、觸摸面板等多方面具備巨大的潛在市場(chǎng)和應(yīng)用前景”。

舉例來說，“薄得像紙一樣的透明手機(jī)”“一分鐘充完電的電池”“能拎起兩噸重物的手提袋”“像襯衣一樣的防彈衣”……這些科幻片里才出現(xiàn)的物品，都可以通過石墨烯的運(yùn)用來實(shí)現(xiàn)。利用石墨烯高柔韌性、高靈敏性等特點(diǎn)，還可提升智能手機(jī)觸控屏的性能。今后，手機(jī)、電腦的顯示屏或?qū)⒊?、超輕、可彎曲……

在汽車領(lǐng)域，通過添加石墨烯材料制成的超強(qiáng)復(fù)合材料可作為車體材料，確保汽車在強(qiáng)度不變甚至更高的基礎(chǔ)上，重量大幅減輕，從而提高車輛行程;利用石墨烯良好的導(dǎo)電性、散熱性和材質(zhì)堅(jiān)固性，還可研發(fā)石墨烯導(dǎo)靜電輪胎，避免普通輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的靜電，從而避免裝有易爆等危險(xiǎn)品的車輛發(fā)生爆炸。

石墨烯具有許多獨(dú)特的特性，根據(jù)這些特性，科研工作者為這種神奇的材料起了許多親切的名字：比如，由于石墨烯具有與雪花類似的六角結(jié)構(gòu)，航材院科研工作者給它取名叫“黑雪花”。由于石墨烯價(jià)格昂貴，價(jià)格為黃金的15倍，它又被稱為“黑黃金”。石墨烯還是史上最輕的固體物質(zhì)，被科研工作者稱為“碳海綿”。由于添加到傳統(tǒng)材料中，能夠極大提升原有材料性能，石墨烯又被稱為“工業(yè)味精”。

關(guān)注引領(lǐng)未來的核心技術(shù)

石墨烯堪稱當(dāng)前全球最熱的全新材料，世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，以期在由石墨烯引發(fā)的新一輪產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)主動(dòng)和先機(jī)。而我國本身就有生產(chǎn)石墨烯的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國石墨礦儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的75%，生產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70%，我國石墨烯企業(yè)已超過百家。

目前，中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列。從專利申請(qǐng)情況來看，根據(jù)日前國際權(quán)威機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，截至2016年9月30日，中國石墨烯專利占全世界絕大多數(shù)比例，達(dá)68.2%，之后是美國、日本和韓國。

在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，我國也涌現(xiàn)出一批典型企業(yè)：京東方在研發(fā)石墨烯光電器件方面取得階段性成果;愛家科技發(fā)明的三維體系石墨烯材料在遠(yuǎn)紅外線轉(zhuǎn)化功率上比傳統(tǒng)碳系材料提高30%;名朔科技研發(fā)的石墨烯新型散熱材料已在北京通州區(qū)得到示范應(yīng)用。

中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授劉忠范說，“未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)將是建立在石墨烯材料的‘撒手锏’級(jí)的應(yīng)用基礎(chǔ)之上，而不是作為‘萬金油’式的添加劑”。當(dāng)前市場(chǎng)上的一些產(chǎn)品，包括服飾、涂料、復(fù)合材料、吸附、潤滑產(chǎn)品以及石墨烯鋰電池、智能手環(huán)、石墨烯手機(jī)觸摸屏等，代表著我國目前研發(fā)石墨烯的主體產(chǎn)品，應(yīng)該說在國際上處于第一方隊(duì)。但與國外相比，我們關(guān)注的點(diǎn)卻不太一樣。在最新的世界移動(dòng)通信大會(huì)上可以看到，國際上關(guān)注的是石墨烯超級(jí)汽車、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備與健康管理、數(shù)據(jù)通信、能源技術(shù)以及復(fù)合材料等前沿領(lǐng)域。

“他們關(guān)注的是未來。未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)肯定會(huì)是一塊大蛋糕，我們能切到多少，取決于現(xiàn)在關(guān)心什么、關(guān)注什么。我們的確不能僅僅關(guān)注今天的產(chǎn)品，要關(guān)注引領(lǐng)未來的核心技術(shù)，這點(diǎn)非常重要。”劉忠范表示。

政企攜手占領(lǐng)創(chuàng)新制高點(diǎn)

2016年4月份，備受業(yè)界關(guān)注的《石墨烯材料的術(shù)語、定義及代號(hào)》國家標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)正式公布，這標(biāo)志著我國首個(gè)石墨烯國家標(biāo)準(zhǔn)制定取得重要進(jìn)展。國家政策已指明了石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線——要把石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

近兩年來，中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)以及石墨烯基地在各地開花，各種各樣所謂的“石墨烯”產(chǎn)品不斷推出。同時(shí)，資本市場(chǎng)也在熱炒石墨烯概念股。

對(duì)此，劉忠范表示，“目前，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)了‘一擁而上’的現(xiàn)象，企業(yè)小而分散，產(chǎn)業(yè)集中度成為大問題。比如，國外做石墨烯的很多是大型企業(yè)，而在中國，基本上都是一些小型的初創(chuàng)企業(yè)”。劉忠范對(duì)此表示擔(dān)憂，“目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段，剛露出一點(diǎn)端倪，‘群眾運(yùn)動(dòng)’式的發(fā)展方式并不能有效帶動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如果中國不改變當(dāng)前石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方式，未來，石墨烯領(lǐng)域的核心產(chǎn)業(yè)很有可能會(huì)被國外占領(lǐng)。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要有國家意志，國內(nèi)的大企業(yè)尤其是央企要有戰(zhàn)略布局”。

對(duì)于新近成立的北京石墨烯技術(shù)研究院有限公司，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)委員姜廣智介紹說，未來，北京石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將引導(dǎo)開展石墨烯前沿技術(shù)、石墨烯應(yīng)用技術(shù)和石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，發(fā)揮地方政府產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)示范和國家科研院所的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使北京成為全球石墨烯創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵樞紐、石墨烯軍民融合的示范區(qū)、國家石墨烯高端產(chǎn)業(yè)的主引擎和主力軍。

對(duì)此，劉忠范表示，確實(shí)應(yīng)該建設(shè)數(shù)個(gè)面向未來石墨烯產(chǎn)業(yè)的高端研發(fā)機(jī)構(gòu)，集中投入穩(wěn)定支持。政府要明確決策定位，著重布局未來石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，將中低端產(chǎn)品放手交給市場(chǎng)和企業(yè)。政府要抓住未來的布局，對(duì)于市場(chǎng)和企業(yè)都能做的事情，其實(shí)政府只需要布局環(huán)境就可以了。

“我不懷疑石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前景，但這條路絕對(duì)沒那么簡單，不是3至5個(gè)月即可完成，而是布滿荊棘的一條路，需要耐心和堅(jiān)持。沒有好的石墨烯材料就沒有產(chǎn)業(yè)的未來，因此，我們堅(jiān)定信心，要做最好的石墨烯材料。”劉忠范說。