石墨烯的碳時(shí)代設想 何時(shí)才能到來(lái)？

　　時(shí)下，觸摸屏直板手機風(fēng)靡全球，你能想象出屏幕可以任意彎曲、價(jià)格比現在還便宜的手機嗎?5月18日，中國首條年產(chǎn)3萬(wàn)平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)暨石墨烯手機觸摸屏新品發(fā)布會(huì )在常州舉行，這標志著(zhù)中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用方面邁出了關(guān)鍵性的一步。

　　未來(lái)，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。據估計，屆時(shí)芯片處理器的頻率有望達到1THz以上(現在商用CPU最好的為GHz量級，1THz=1000GHz)。

　　未來(lái)，用石墨烯制備的手機電池，三分鐘就充滿(mǎn)電，能打半個(gè)月電話(huà)。應用了石墨烯的光調制器，可使網(wǎng)絡(luò )速度快一萬(wàn)倍。

　　未來(lái)，石墨烯可實(shí)現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(lái)，用石墨烯還可開(kāi)發(fā)出超輕型飛機、超堅韌的防彈衣、輕型汽車(chē)，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年的戰略選擇》研究報告中指出，未來(lái)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構的二維晶體，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構成的平面。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(kāi)創(chuàng )性實(shí)驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。人們發(fā)現，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬(wàn)層石墨烯堆垛而成。

　　石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮，特別是它的獨特性能，許多專(zhuān)家稱(chēng)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。據專(zhuān)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(lái)原子而發(fā)生散射，受到的干擾也非常小。因此電子的運動(dòng)速度超過(guò)了在其他金屬單體或半導體中的運動(dòng)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，是銅鋁等金屬的數十倍，這使得石墨烯有望作為未來(lái)超大規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(shù)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、生物醫藥等領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景，一旦量產(chǎn)將成為下一個(gè)萬(wàn)億級的新興產(chǎn)業(yè)。

　　“目前從全世界范圍來(lái)看，石墨烯都屬于前沿研究，材料的研發(fā)仍處于初級階段，離大規模應用尚存在一段距離，但這并不意味著(zhù)遙遙無(wú)期。”南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王欣然說(shuō)，最先進(jìn)入市場(chǎng)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(yáng)能電池等光電器件也將于2015年逐步進(jìn)入市場(chǎng)。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(lái)才能走向市場(chǎng)。

　　中國科學(xué)院院士高鴻鈞也表示，石墨烯在未來(lái)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(shí)現產(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)。

　　據媒體報道，日前，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院已經(jīng)成功制備出國內首片15英寸的單層石墨烯，其尺寸達到了國內最高水平。中科院重慶研究院目前已經(jīng)在銅箔襯底上生長(cháng)出15英寸的均勻單層石墨烯，并成功將其完整地轉移到柔性PET襯底上和其他基底表面。通過(guò)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普通筆記本電腦的顯示屏上，用手寫(xiě)筆可在屏幕上寫(xiě)字。

　　在儲能領(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)異的導電性能和柔韌的二維層狀結構，可以提高鋰離子電池和超級電容器的充放電速度、循環(huán)穩定性和安全性，有可能達到幾分鐘甚至幾秒鐘充滿(mǎn)電，這樣的石墨烯鋰電池在消費電子、電動(dòng)汽車(chē)和儲能領(lǐng)域具有很大市場(chǎng)。

　　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藥、生物診斷和食品加工等領(lǐng)域也有極高的應用價(jià)值。

　　投資熱度升溫

　　由于石墨烯巨大的市場(chǎng)潛力，世界范圍內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(lè )公司等國際大牌廠(chǎng)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(kāi)發(fā)，在產(chǎn)品專(zhuān)利數量上，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構劍橋知識產(chǎn)權公司(CambridgeIP)的最新數據顯示，目前全球最大的10個(gè)石墨烯相關(guān)專(zhuān)利持有機構分別是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(lè )公司、浙江大學(xué)。

　　劍橋知識產(chǎn)權公司董事長(cháng)唐諾克表示，過(guò)去幾年中，亞洲地區特別是韓國和中國的石墨烯專(zhuān)利活動(dòng)顯著(zhù)增加。

　　在國內，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)等高校及科研機構在石墨烯的制備及應用領(lǐng)域申請了眾多專(zhuān)利。

　　截至今年6月，國內機構共申請石墨烯相關(guān)的發(fā)明專(zhuān)利3000多項，其中456項已經(jīng)獲得國家知識產(chǎn)權局的專(zhuān)利授權，主要集中在石墨烯的制備和石墨烯應用領(lǐng)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，泰州成立了國內首個(gè)專(zhuān)業(yè)的石墨烯新材料公司，目前已具備較大規模。

　　2011年10月，常州成立了江南石墨烯研究院，為國內首個(gè)基于石墨烯材料及應用的產(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)。泰州市政府還批準成立了國內首個(gè)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(shù)支持。

　　中國科學(xué)院寧波材料所劉兆平研究員領(lǐng)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)權的石墨烯低成本規?；苽浼夹g(shù)，并建立了噸級規模的中試生產(chǎn)線(xiàn)。2012年，該技術(shù)轉移給上海南江(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(xiāo)售與應用技術(shù)研發(fā)。年產(chǎn)300噸的石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)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，其中石墨烯將占據重要市場(chǎng)。為此，上海南江集團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(hù)重慶，將力爭在一年內建成首期生產(chǎn)線(xiàn)并投產(chǎn)，形成1000萬(wàn)片石墨烯產(chǎn)能。

　　隨著(zhù)石墨烯的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程推進(jìn)，市場(chǎng)對其關(guān)注度日趨升溫。涌現了幾十家涉及石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)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)險投資機構的積極介入。

　　此外，國內多家上市公司也進(jìn)軍到石墨烯應用領(lǐng)域。方大炭素5月20日晚公告稱(chēng)，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)權局頒發(fā)的專(zhuān)利證書(shū)，專(zhuān)利權期限為20年。方大炭素稱(chēng)，本發(fā)明與現有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于制備工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，原材料來(lái)源廣泛，成本低，安全性高，綠色環(huán)保。

　　悅達投資董事會(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)，將主要應用于紡織服裝、汽車(chē)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(zhuān)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(xiàn);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(zhuān)利;金路集團與中科院金屬研究所合作開(kāi)發(fā)的“石墨烯材料的規?；苽浼夹g(shù)”已通過(guò)四川省科技廳專(zhuān)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(chǎng)備受追捧，但如何大規模制備高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯是產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問(wèn)題。

　　在7月13日召開(kāi)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資論壇上，多位專(zhuān)家表示，目前制備石墨烯的技術(shù)工藝還不成熟，沒(méi)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(gè)新興材料正處于專(zhuān)利布局期，產(chǎn)業(yè)鏈還沒(méi)有形成，對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構的研究應用。

　　據介紹，石墨烯之所以沒(méi)有實(shí)現大規模量產(chǎn)，主要是沒(méi)有找到一種適合大規模生產(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(cháng)法、氧化石墨還原法和化學(xué)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(chēng)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(lái)。這一方式至今仍是實(shí)驗室獲取石墨烯進(jìn)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(mǎn)足工業(yè)化需求。

　　外延生長(cháng)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(cháng)條件也很苛刻。這種方法生成的石墨烯不易轉移到別的基體上使用，因為在金屬表面上催化生長(cháng)石墨烯，再把它轉移到適合的基底上，好比在一個(gè)足球場(chǎng)上鋪一層薄薄的保鮮膜，想讓它平平整整且完好無(wú)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)現規?；a(chǎn)的石墨烯制備方法，它的缺點(diǎn)是在氧化還原的過(guò)程中，石墨烯的電子結構以及晶體的完整性容易受到強氧化劑的破壞，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(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)達到5072篇，超過(guò)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，主要集中在基礎研究，產(chǎn)業(yè)應用相對薄弱。”中國科學(xué)院院士高鴻鈞說(shuō)，歐洲、美國、韓國等國企業(yè)介入比較早，成果應用轉化也走在世界前列。

　　清華大學(xué)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?；a(chǎn)的能力，但在發(fā)展過(guò)程中，仍存在一些問(wèn)題。中國現有的技術(shù)水平可以支持其產(chǎn)業(yè)化，但并沒(méi)有達到最好的水平，未來(lái)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構及企業(yè)給予更多的政策扶持。

　　東南大學(xué)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(diǎn)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(guò)政策支持加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;三是盡快著(zhù)手制定行業(yè)標準，爭取獲得話(huà)語(yǔ)權;四是加強行業(yè)間的交流合作，促進(jìn)石墨烯廣泛應用;五是成立相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，加強行業(yè)內部的協(xié)調和合作。

　　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)展規劃》中的前沿新材料就包含石墨烯。此外，國家科技重大專(zhuān)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(cháng)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)展規劃的時(shí)候，石墨烯還沒(méi)有目前這樣熱門(mén)，產(chǎn)業(yè)應用前景也并不明朗，因此在規劃文本、產(chǎn)品目錄中沒(méi)有把石墨烯作為主要重點(diǎn)，但隨著(zhù)技術(shù)和應用的突破，下一步會(huì )統籌研究并予以考慮。

　　7月13日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟在北京成立。聯(lián)盟的成立將有助于整合協(xié)調產(chǎn)業(yè)資源，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識產(chǎn)權等資源共享機制，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(shí)現石墨烯觸摸屏手機小批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)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(mǎn)足用戶(hù)的要求。石墨烯觸摸屏不僅能任意彎曲，價(jià)格比現在通用iPhone觸屏便宜了近1/3，大規模應用后，或將帶動(dòng)手機價(jià)格下跌。