全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器

　　由中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟聯(lián)合泰州市人民政府主辦的中國石墨烯標準化論壇12月8日在泰州舉行。在本次論壇上，中國石墨烯標準化委員會(huì )宣布成立。

　　聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)李義春表示，由泰州石墨烯研究及檢測平臺負責處理標準化委員會(huì )的日常工作。同日，石墨烯標準化委員會(huì )討論了石墨烯標準體系模型和工作路線(xiàn)圖，其正式標準文檔有望在近日發(fā)布，這將有利于我國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康有序地發(fā)展。

　　此外，論壇發(fā)布了全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。該產(chǎn)品解決了石墨烯大規模低成本轉移以及石墨烯與光場(chǎng)強相互作用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

　　2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，如果說(shuō)20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

　　石墨烯用途非常廣泛，是一種被科學(xué)家寄于厚望的新型材料。在制造業(yè)，它不僅被運用在半導體芯片、太陽(yáng)能電池、高強度外殼材料等領(lǐng)域，而且在光學(xué)方面上，石墨烯也有相當大的用途。

　　近日據國外媒報道，來(lái)自國外的部分研究機構發(fā)現，石墨烯這種材料擁有難以置信的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉化為波長(cháng)更短、頻率更高的激光，持續時(shí)間為幾飛秒?？茖W(xué)家們表示，利用這個(gè)新發(fā)現，未來(lái)他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射武器(石墨烯超耐高溫)。

　　當然，這個(gè)發(fā)現目前僅存在于實(shí)驗室，如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。

　　對石墨烯表現出興趣的還有美國軍方。2011年年末，位于馬里蘭州艾德菲(Adelphi)的美國陸軍研究實(shí)驗室(U.S.ArmyResearchLaboratory)與波士頓的東北大學(xué)(NortheasternUniversity)簽署了一項研究石墨烯屬性的協(xié)議，資金主要來(lái)自美國國防高級研究計劃局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，簡(jiǎn)稱(chēng)Darpa)30萬(wàn)美元的撥款。

　　東北大學(xué)物理學(xué)教授斯里尼瓦斯·斯里達爾(SrinivasSridhar)說(shuō)，該大學(xué)計劃用石墨烯設計更好的夜視鏡及其他探測器。Darpa的一位代表在電子郵件中證實(shí)了該項目。

　　今年夏天，通過(guò)參觀(guān)法拉利博士的實(shí)驗室，記者初步了解到了石墨烯研究的情況。他的同事費利切·托里西(FeliceTorrisi)展示了膠帶從一塊石墨上剝離石墨烯的過(guò)程。托里西博士說(shuō)，“這種規模顯然不足以應用于”工業(yè)用途。

　　這說(shuō)明了石墨烯競賽中的一個(gè)重大目標：尋找生產(chǎn)的最佳方法。大量專(zhuān)利申請都描述了制造石墨烯的方法。

　　接著(zhù)托里西博士拿起一小瓶裝有石墨烯和水的墨水。旁邊的噴墨打印機滋滋作響，將墨水印在一片塑料薄片上，形成一個(gè)近乎不可見(jiàn)的電路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士輕擊鍵盤(pán)后附帶的電子儀器會(huì )發(fā)出音樂(lè )聲的關(guān)鍵。

　　在其他的劍橋實(shí)驗室里，研究員們展示了一個(gè)石墨烯激光器的早期原型機，這款激光器可以發(fā)射出超速光脈沖和石墨烯傳感器，能夠探測到任何波長(cháng)的光。

　　石墨烯的導熱屬性顯然是蘋(píng)果一項專(zhuān)利申請的核心。這項專(zhuān)利申請包括“可攜帶電子設備”元件背后的石墨烯“散熱器”的樣圖。蘋(píng)果發(fā)言人拒絕置評。

　　薩博希望利用石墨烯的輕薄和傳導性能，將其植入機翼用于除冰。薩博航空設備部門(mén)負責未來(lái)產(chǎn)品的馬茨·帕爾姆貝里(MatsPalmberg)說(shuō)，這項研究還在初級階段，“但它肯定是我們推出飛行應用計劃的一部分”。

　　洛克希德在新聞稿中說(shuō)預計其石墨烯薄膜能夠“更有效地進(jìn)行海水淡化”，而成本只會(huì )是目前技術(shù)的很小一部分。

　　諾貝爾獲獎?wù)吆Ｄ凡┦空f(shuō)，石墨烯的發(fā)現還導致科學(xué)家開(kāi)始研究其他大量擁有特殊屬性、具有二維結構的物質(zhì)。他說(shuō)：“石墨烯打開(kāi)了一個(gè)我們不知道的物質(zhì)世界。”

　　強激光材料研究員王俊揭秘石墨烯的光學(xué)特性

　　在中科院強激光材料重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王俊眼里，自己一直從事的、被稱(chēng)為光學(xué)材料領(lǐng)域國際最前沿的科研領(lǐng)域里，“最新”和“前沿”不是緊盯的重點(diǎn)，王俊看重的，是石墨烯和碳納米管光子學(xué)研究中的“問(wèn)題”。

　　“通過(guò)研究使還未得到解答的問(wèn)題真正得以解決，是科研創(chuàng )新最大的意義。”王俊說(shuō)，“這也是我們課題組一直秉承的信念。”

　　在石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域，王俊首次從實(shí)驗上驗證了石墨烯的寬帶非線(xiàn)性光學(xué)特性。2009年，當時(shí)針對石墨烯光學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗研究只有一篇后來(lái)獲諾貝爾獎的Geim教授和Novoselov教授小組發(fā)表于Science的論文，而非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)研究還處于空白的狀況，王俊認為，其應用價(jià)值并未引起足夠重視。于是，王俊開(kāi)始解決發(fā)現的這一“問(wèn)題”。他對此的研究成果第一次從實(shí)驗上揭示了石墨烯優(yōu)異的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，開(kāi)創(chuàng )了石墨烯光子學(xué)性質(zhì)及其應用研究的先河，為研究石墨烯及其衍生材料的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)、以及開(kāi)發(fā)石墨烯光子學(xué)器件提供了準確可靠的實(shí)驗依據和理論解釋。王俊的研究被業(yè)內稱(chēng)贊為石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域具有開(kāi)拓性的工作之一。

　　如果只是去做別人沒(méi)做過(guò)的東西，王俊覺(jué)得不足以構成真正意義上的科研創(chuàng )新。他認為，創(chuàng )新更重要的是能夠通過(guò)研究解決一些重要問(wèn)題。而這些問(wèn)題往往是某領(lǐng)域研究通向應用的一個(gè)瓶頸，這才具有重要的創(chuàng )新意義。

　　王俊在石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域的研究如此，在激光防護光子學(xué)領(lǐng)域的研究也是如此。

　　王俊深入地研究了一系列光功能材料的激光防護限幅應用，深入揭示了單壁碳納米管的非線(xiàn)性散射致光限幅效應。王俊的系統研究，進(jìn)一步揭示了碳納米管光限幅效應的物理本源，以此提出了從根本上提高其非線(xiàn)性消光性能的解決方案，為基于碳納米管及其衍生功能材料的激光防護限幅器件的設計和開(kāi)發(fā)，以及隨后石墨烯非線(xiàn)性光學(xué)的研究工作奠定了堅實(shí)的實(shí)驗和理論基礎。這些研究成果，對除碳納米材料外其他具有光散射致非線(xiàn)性消光效應的納米材料，如金、銀、合金納米結構、量子點(diǎn)等，都有重要的參考價(jià)值。

　　王俊說(shuō)：“科研人員在創(chuàng )新研究中，不僅要發(fā)現問(wèn)題，更要解決問(wèn)題，并把結果公布出來(lái)，為大家服務(wù)，我覺(jué)得這個(gè)才是做科研的核心創(chuàng )新理念。”

　　王俊的話(huà)語(yǔ)和王俊的履歷，讓很多人想不到他其實(shí)只是一個(gè)“80后”。1979年11月出生的王俊，目前已經(jīng)是中科院強激光材料重點(diǎn)實(shí)驗室研究員、博士生導師、兼重點(diǎn)實(shí)驗室主任助理，負責微納光功能材料學(xué)科建設。2010年12月，王俊由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所以“百人計劃”引進(jìn)，2011年4月順利通過(guò)擇優(yōu)支持。如今，王俊已成為國家首批“青年拔尖人才”、上海市“浦江人才”、上海市嘉定區“青年領(lǐng)軍人才”。今年2月，又擔任了上海市激光學(xué)會(huì )青年委員會(huì )主任。

　　在被追問(wèn)到為何樂(lè )此不倦地沉浸于科研中時(shí)，王俊會(huì )“少年老成”地表示：“這個(gè)領(lǐng)域‘問(wèn)題’太多，有時(shí)候也會(huì )力有不逮。但我們愿意為此而竭盡全力，因為我非常地喜歡這個(gè)領(lǐng)域，喜歡這些‘問(wèn)題’。”

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)有望形成萬(wàn)億產(chǎn)值

　　石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導熱、導電性能。

　　為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學(xué)、中科院金屬研究所、北京現代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機構。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國內石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。

　　作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結構、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。它是目前人類(lèi)已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。

　　分析認為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動(dòng)超級電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外，石墨烯因超強的光轉換能力，可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出鋼鐵數十倍的強度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線(xiàn)，在這些領(lǐng)域將引發(fā)革命性的突破。

　　作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在激光、半導體、光伏、鋰電池、光器件、航天、軍工、LED、觸控屏等領(lǐng)域都將帶來(lái)一次材料革命。由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬(wàn)億以上。

　　中國產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯

　　中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨厚的條件。數據顯示，我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。

　　論壇上，各科研單位專(zhuān)家和企業(yè)代表認為，石墨烯在我國的應用前景十分廣闊，現在行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期。但從實(shí)際情況來(lái)看，成本和工藝問(wèn)題的存在使得石墨烯短期內無(wú)法形成真正的商業(yè)規模，在應用領(lǐng)域來(lái)看，鋰電池和環(huán)保涂層材料有望是國內石墨烯應用領(lǐng)域未來(lái)的一大突破口。

　　石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內主要有四種制備方法，分別是機械剝離法、外延生長(cháng)法、氧化石墨還原法和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內多采用機械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。

　　中科院寧波材料所石墨烯研究團隊研究員周旭峰表示，目前國內對石墨烯的應用前景頗為看好，多個(gè)領(lǐng)域都準備躍躍欲試。但從實(shí)際情況來(lái)看，制造工藝不穩定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問(wèn)題，從制造工藝來(lái)看，目前業(yè)內的四種方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。周旭峰認為，由于產(chǎn)業(yè)鏈相對較短，環(huán)保和儲能領(lǐng)域有望成為率先實(shí)現石墨烯商用。

　　在相關(guān)政策扶持方面，工信部原材料司副司長(cháng)高云虎表示，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。

　　產(chǎn)業(yè)化難題待破

　　業(yè)內專(zhuān)家指出，石墨烯目前整體主要還處在研發(fā)階段，制備石墨烯的技術(shù)工藝還不太成熟，而且成品面積相對較小，不能適應工業(yè)化應用。各國對于這個(gè)新興材料還處于一個(gè)專(zhuān)利布局期，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也還沒(méi)有形成。我國在石墨烯基礎研究方面已經(jīng)十分突出。

　　有關(guān)研究顯示，截至2012年底，我國發(fā)表的石墨烯論文數量已經(jīng)超過(guò)美國，名列世界首位，而且部分團隊的研究成果受到了世界各國的高度重視，被引用達數千次之多。飛速發(fā)展的還有我國的石墨烯專(zhuān)利數量，無(wú)論從專(zhuān)利受理數量，還是優(yōu)先權專(zhuān)利數量來(lái)看，我國都是僅次于美國的世界第二大國。這意味著(zhù)，一方面我國企業(yè)高度重視石墨烯技術(shù)開(kāi)發(fā)并積極申請專(zhuān)利保護，另一方面也表明世界其他國家對我國石墨烯市場(chǎng)相當關(guān)注。

　　然而，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路上存在諸多現實(shí)問(wèn)題，一方面尚未具備規?；a(chǎn)能力，產(chǎn)品成本高;另一方面石墨烯還未真正形成下游的應用和需求。因此現在既要盡可能降低成本實(shí)現規?；a(chǎn)，又要盡快在產(chǎn)業(yè)化應用上實(shí)現突破。目前進(jìn)行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數中小企業(yè)，研究力量比較分散，要盡快實(shí)現石墨烯產(chǎn)業(yè)化，必須通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發(fā)、規?；聿母珊?、下游應用等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節的技術(shù)路線(xiàn)和公共科技服務(wù)平臺和測試平臺，通過(guò)全行業(yè)的共同努力，共同突破關(guān)鍵的技術(shù)難題以及在應用領(lǐng)域實(shí)現突破，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組建宗旨是為了整合協(xié)調產(chǎn)業(yè)資源;以推進(jìn)低成本石墨烯及裝備的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化為目標，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識產(chǎn)權等資源共享機制;建立與政府溝通的渠道及人才培養、國際合作的平臺;推動(dòng)標準、評價(jià)、質(zhì)量檢測體系的建立，促進(jìn)成員單位的自身發(fā)展，提升低成本石墨烯的整體競爭力，從而達到推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的。

　　石墨烯作為ITO導電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業(yè)高度關(guān)注。石墨烯技術(shù)可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機等智能終端的產(chǎn)業(yè)鏈太長(cháng)，產(chǎn)品的成形需要電路板、機身材料等整個(gè)供應鏈的配合。理論上講這些東西在實(shí)驗室內已經(jīng)可以實(shí)現，但要商用還需要一定的時(shí)間，不僅因為成本離譜，良率問(wèn)題也很不樂(lè )觀(guān)。業(yè)內人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發(fā)資源，原計劃在今年要推出一款類(lèi)似的概念。

　　石墨烯離產(chǎn)業(yè)化還有多遠?

　　“一年之前，我不敢說(shuō)我的單層石墨烯已經(jīng)規?；a(chǎn)，但現在敢說(shuō)了。”上海交通大學(xué)郭守武教授在臺下對記者如是說(shuō)。

　　就在之前半小時(shí)，郭教授團隊實(shí)驗成果在臺上展示PPT時(shí)，受到了臺下企業(yè)界的追問(wèn)，“我要5公斤，你能給我嗎?”“簽了合同，幾天就能給你。”“價(jià)格多少?”“我成本是0.5元/克，但這是郭老師幾年心血，他肯定不會(huì )以這個(gè)價(jià)賣(mài)給你。”

　　在國際上，單層石墨烯售價(jià)是2000元/克。

　　同樣是石墨烯制備者，中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問(wèn)，“你9塊錢(qián)太貴了，你能做到1元/克嗎?”“當然可以。”“一兩毛錢(qián)呢?”“這是商業(yè)秘密。”

　　劉兆平團隊多層石墨烯(比單層制備更容易，成本更低)技術(shù)已經(jīng)賣(mài)給了華南家族控股股東南江集團的兄弟單位。據悉，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目預計于11月投產(chǎn)，是全球首條30噸石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)。

　　對于該項目產(chǎn)業(yè)化前景，劉兆平稱(chēng)“關(guān)鍵看下游。”

　　中科院金屬所與金路集團簽訂了技術(shù)合作協(xié)議。該項目負責人任文才告訴記者，去年該項目已經(jīng)完成了中試，隨時(shí)可以工業(yè)化，“關(guān)鍵看下游市場(chǎng)。”

　　石墨烯下游應用廣泛，如鋰電池、涂料、LED等。下游應用市場(chǎng)若沒(méi)有成熟，制備就難以量產(chǎn)。一家深圳公司2010年就開(kāi)始賣(mài)石墨烯，但苦于應用市場(chǎng)沒(méi)有起來(lái)，銷(xiāo)量一直做不起來(lái)。

　　不過(guò)，石墨烯下游應用在部分領(lǐng)域可能率先突破。南京科孚納米技術(shù)有限公司蕭小月總經(jīng)理透露，一位做散熱復合材料的海外客戶(hù)已經(jīng)提出計劃，希望逐月實(shí)現每月四噸的供貨需求。

　　劉兆平認為，鋰電池、LED將有望成為國內最先利用石墨烯的下游行業(yè)。

　　不過(guò)，北京一企業(yè)試用了多家科研單位試驗室石墨烯產(chǎn)品，他認為，上游石墨烯品質(zhì)并不穩定。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈雖然沒(méi)有成熟，但投資熱潮已經(jīng)顯現，劉兆平作為較早掌握該技術(shù)的科研人員對此感觸很深，他用“太狂熱了”來(lái)形容。