本文原載于學(xué)習(xí)時報，作者：劉忠范，中國科學(xué)院院士，北京石墨烯研究院院長?，F(xiàn)任全國政協(xié)常委、九三學(xué)社中央委員會副主席。主要從事石墨烯等納米碳材料研究，在石墨烯、碳納米管的化學(xué)氣相沉積生長方法研究領(lǐng)域做出了一系列開拓性和引領(lǐng)性的工作，是國際著名石墨烯專家。發(fā)表SCI檢索學(xué)術(shù)論文550余篇，申請中國發(fā)明專利80余項。曾獲日中科技交流協(xié)會“有山兼孝紀(jì)念研究獎”、香港求是科技基金會杰出青年學(xué)者獎、中國分析測試協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)一等獎、國家自然科學(xué)二等獎兩次、中國化學(xué)會-阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎、日本化學(xué)會膠體與界面化學(xué)年會Lectureship Award（2016）等。
有這樣一種堅韌的薄膜，它能以一個鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會被戳破，這種材料就是石墨烯。石墨烯是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的首個二維元素晶體，它幾近透明，卻異常柔韌，且能彎曲。它的厚度僅為頭發(fā)絲的二十萬分之一，強度卻是鋼的200倍，有研究資料顯示石墨烯是目前人類發(fā)現(xiàn)最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，在全世界備受推崇，被認(rèn)為是21世紀(jì)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，是改變世界的一種材料。
在新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命背景下，新材料產(chǎn)業(yè)被視為推動未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，將會對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生廣泛而深刻的影響。尤其是石墨烯“多才多藝”的性質(zhì)使人們對其廣闊的應(yīng)用前景產(chǎn)生了無窮的想象，有的科學(xué)家認(rèn)為未來技術(shù)革命最大的顛覆性事件之一，可能就是石墨烯代替硅成為信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料，石墨烯還可能在能源、交通、航空航天、柔性電子和醫(yī)療保健等領(lǐng)域大放異彩。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國家之一，有專家預(yù)測，未來石墨烯每年將撬動萬億級的產(chǎn)業(yè)鏈。作為一種新材料，石墨烯究竟有哪些神奇之處?有哪些顛覆式的應(yīng)用能影響和改變?nèi)藗兊纳?我國石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)該如何健康發(fā)展?
石墨烯如何改變?nèi)藗兊纳?/strong>
石墨烯我們并不陌生，鉛筆芯是用黏土和石墨做成的，當(dāng)你寫字的時候在紙上一劃，石墨片就會劃下來，變成我們可看到的字。如果你寫得特別輕，說不定就能做出來單層的石墨片，也就是石墨烯。石墨烯號稱“新材料之王”，它是最薄的材料，因為它只有一個原子層的厚度;同時它也是強度最大的材料，理論上它的強度比鋼還要強200倍;它也是導(dǎo)電性最好的材料，熱導(dǎo)性是遙遙領(lǐng)先的。石墨烯還是完美的柔性透明材料，柔韌性特別好，可以輕易地被折疊。它還是一種透明導(dǎo)電薄膜材料，這也是石墨烯一個非常重要的特點。
碳材料家族是“新興”產(chǎn)業(yè)的搖籃，催生了金剛石產(chǎn)業(yè)、石墨產(chǎn)業(yè)、活性炭產(chǎn)業(yè)、炭黑產(chǎn)業(yè)和碳纖維產(chǎn)業(yè)，也因此碳材料被認(rèn)為是人類文明發(fā)展的助推器。石墨烯作為碳家族材料中的新成員，因其擁有獨特的物理性能而備受關(guān)注。
從目前看，石墨烯可用來制作保暖產(chǎn)品、衣服等日用品;作為硅的替代品，石墨烯可制造超微型晶體管以及新一代電子元件，石墨烯運用在計算機芯片上，能大幅度提高計算速度;石墨烯還適合用來制造透明觸控屏幕、發(fā)光板、太陽能電池板等產(chǎn)品。從未來看，石墨烯將在電子信息、新能源、航空航天、柔性電子及儲能、海洋工程防腐等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。
石墨烯有三種不同的形態(tài)：一種是粉體，一種是薄膜，還有一種是纖維。材料形態(tài)不同，用途也不一樣。
石墨烯在大健康和電熱領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯是非常理想的遠(yuǎn)紅外輻射材料，石墨烯的波長是3—15微米左右，人體發(fā)射的紅外頻譜和石墨烯基本上是類似的，有人說石墨烯能夠發(fā)射生命光波，就是這個意思。這種光波被人體吸收之后，可以提高免疫力，改善血液循環(huán)，甚至?xí)鰪娦玛惔x。石墨烯發(fā)熱效率非常高，尤其是電熱響應(yīng)速度非?？欤@是比其他材料優(yōu)越的地方。它的電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，電能轉(zhuǎn)換成熱能效率高，就意味著可以節(jié)能、節(jié)電，這是石墨烯作為電熱和大健康材料一個非常重要的優(yōu)點，實際上現(xiàn)在國內(nèi)很多企業(yè)都在做這類產(chǎn)品的研發(fā)工作。北京石墨烯研究院發(fā)明的一種石墨烯玻璃纖維材料，這種材料看起來就像一塊布，加上電壓之后，就可以作為加熱片，像電阻絲那樣去把水燒開。它最大的特點是升溫速度特別快，加上24伏的電壓，在20秒左右的時間溫度可以升到900度，電熱轉(zhuǎn)換效率超過90%，這比普通的電阻加熱高很多，利用這種材料可以大幅度地節(jié)能、節(jié)電。
石墨烯在汽車領(lǐng)域也有著很廣闊的應(yīng)用前景，用石墨烯這種復(fù)合材料做汽車車身，可以讓汽車變得更輕、更節(jié)能，跑得更快。實際上，英國已經(jīng)推出了用石墨烯復(fù)合材料做的汽車。
在中國石墨烯用途最多的是石墨烯電池。從嚴(yán)格意義上講，不能叫石墨烯電池，其實就是鋰離子電池?fù)缴弦稽c石墨烯，改善它的性能。怎么讓汽車的續(xù)航里程更遠(yuǎn)?讓汽車充電更便捷、更快速?從原理上講，石墨烯的確可以在這方面起到一定的作用，但是我們還不能過度期待。石墨烯的確對于電池的能量密度會有所提升，對充電速度可以有所改善，充電可以變得更快，但是實際效果還不像宣傳那樣好。
石墨烯恬靜低調(diào)，把勝過鋼鐵200倍的“堅強”，“掩藏”在黑黝黝的石墨易脆外表之下;柔順且富有可塑性，通體透明能被一眼看穿，卻只吸收微弱的光線。這些“非凡”之處給人們打開了一扇新的大門，進(jìn)入了一個全新的世界?？茖W(xué)家們認(rèn)為未來石墨烯會有很多科幻級的應(yīng)用，如石墨烯電極可做大腦的接口，實現(xiàn)人機交互;石墨烯“人工喉”能使失語患者開口說話。甚至還可以借用“人工喉”的方法，把動物的語言轉(zhuǎn)換成一種相同話語，讓人類聽得懂。這些既有趣味性，又有些科幻性的應(yīng)用，將打開我們對這一新材料嶄新的認(rèn)知空間。
石墨烯可以做傳感器。比方說有人用石墨烯做電子鼻，能夠檢測出極低水平的有害氣體，像二氧化碳、臭氧等，用石墨烯傳感器就可以檢測出來。石墨烯的壓力感應(yīng)鞋墊是劍橋大學(xué)石墨烯中心推出來的試驗性產(chǎn)品，這種鞋墊穿上之后可以隨時跟蹤足部的壓力分布，像運動員想提高運動水平，就要分析這些數(shù)據(jù)，反饋之后可以進(jìn)一步提升運動水平。石墨烯如果做成智能貼，貼到胳膊上就可以檢測血壓、脈搏、體溫等，石墨烯在這方面有很好的應(yīng)用前景。石墨烯可以做觸摸屏，因為它是透明導(dǎo)電薄膜。手機的觸摸屏一般是用氧化銦錫(ITO)玻璃做的，ITO玻璃是一種銦摻雜的二氧化錫玻璃片，銦是一種稀有的金屬元素，它的儲量有限，成本也比較高。ITO是一種玻璃片，它的柔性很差，石墨烯恰恰可以彌補這一點。碳不能說取之不盡用之不竭，但是跟銦相比在地球上的儲量是非常大的。超薄柔性、高導(dǎo)電性和高強度使得石墨烯可以做未來的觸摸屏。石墨烯的透光率非常好，透光率好意味著手機屏幕的可視性會非常好，看得更清楚?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的觸摸屏在酸堿條件下是不穩(wěn)定的，石墨烯沒有這種問題，即便是在苛刻的環(huán)境下它也很穩(wěn)定，受環(huán)境的影響比較小，從這個意義上講石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景。
石墨烯還是理想的可穿戴技術(shù)的支撐材料。用石墨烯可以做機械臂，石墨烯能起到傳感器的作用，可以指揮驅(qū)動機械手去發(fā)揮它的功能。石墨烯和下一代超快通信技術(shù)也是密切相關(guān)的。石墨烯遷移率特別高，比傳統(tǒng)的硅材料要高幾十倍，甚至更高，可以用它做更為強大的網(wǎng)絡(luò)，和現(xiàn)有的技術(shù)相比提高將近一個數(shù)量級，用石墨烯可以做太赫茲通信、超快光通信器件。這些都是人們正在研發(fā)的領(lǐng)域。
石墨烯復(fù)合材料是航空航天領(lǐng)域的新寵。海代爾公司復(fù)合材料研究中心已經(jīng)把石墨烯用到無人機上了，輕質(zhì)高強的石墨烯復(fù)合材料現(xiàn)在已經(jīng)被用于提高無人機的螺旋槳葉片的機械性能和熱傳導(dǎo)性能。北京石墨烯研究院正在研發(fā)航空輪胎，一般情況下，飛機在起降的時候是特別費輪胎的，像國產(chǎn)的輪胎起降三五十次可能就要換輪胎，有了石墨烯之后，就可以大幅度提高輪胎的壽命。石墨烯還可以作為高溫合金的增強劑來使用，把一定量的石墨烯摻到高溫增強合金里面，就可以大幅度提高高溫合金的性能，在航空發(fā)動機里面可能有很好的應(yīng)用。
隨著石墨烯材料研發(fā)的進(jìn)展，人們也在尋找各種各樣的辦法去做出特殊的石墨烯材料。這些新材料的出現(xiàn)都會進(jìn)一步加速石墨烯的實用化進(jìn)程。
石墨烯作為21世紀(jì)的新材料之王，它的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)引發(fā)了全世界的關(guān)注，世界上很多國家都將石墨烯作為高技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，歐盟率先在2013年啟動石墨烯旗艦計劃，斥資10億歐元推進(jìn)石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在美國，包括IBM、英特爾、波音等國際大公司，都投入大規(guī)?？蒲辛α窟M(jìn)行石墨烯的研發(fā)并已形成相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈。日本日立、索尼，韓國三星集團等大企業(yè)也都投入了大量資金和人力，從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開發(fā)。
作為石墨烯原材料之一的石墨，中國具有巨大的資源優(yōu)勢，中國在石墨烯領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量以及專利申請數(shù)量都是全球最多，基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化力量在全球處于第一梯隊。從2010年開始，中國石墨烯相關(guān)企業(yè)呈爆炸式增長，數(shù)據(jù)顯示，我國石墨烯行業(yè)相關(guān)企業(yè)注冊量于2019—2021年呈增長趨勢，2021年企業(yè)注冊量為13665家，較前年上升了5830家。截至9月23日，2022年新增企業(yè)注冊量為11668家。全球第一條和第二條真正實現(xiàn)規(guī)?；氖┥a(chǎn)線也誕生在中國。但是，目前中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展“喜憂參半”，中國石墨烯生產(chǎn)企業(yè)主要以初創(chuàng)期的中小微企業(yè)為主，產(chǎn)品以實用性品種居多，同質(zhì)化競爭嚴(yán)重，高端研發(fā)方面相對欠缺。石墨烯材料的開發(fā)應(yīng)用如何逾越理想與現(xiàn)實之間的鴻溝?如何尋找到真正“殺手锏”級的用途?
國外特別重視石墨烯的一些基礎(chǔ)研發(fā)平臺的建設(shè)。一個典型的例子，在石墨烯誕生地——英國曼徹斯特大學(xué)，兩位科學(xué)家牽頭成立了國家石墨烯研究院，進(jìn)行基礎(chǔ)研發(fā)工程應(yīng)用，把大家整合起來一起往前走，推進(jìn)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化，這是國外石墨烯研發(fā)領(lǐng)域一個重要特點。中國各級政府也認(rèn)識到了平臺的重要性，北京市推動成立了北京石墨烯研究院，這是由北京大學(xué)牽頭成立的一個新型研發(fā)機構(gòu)。
中國其實在粉體石墨烯材料方面，產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了每年5000多噸，國外的產(chǎn)量加在一起也沒有我們多。在薄膜石墨烯方面我國的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了650萬平方米，產(chǎn)能已經(jīng)開始過剩了，這是現(xiàn)在存在的一個非常大的問題。
對于石墨烯材料來說，理想與現(xiàn)實之間還有一道鴻溝，需要花大氣力去彌補、去跨越這道鴻溝。石墨烯材料必須找到它真正的“殺手锏”級的用途。把石墨烯作為添加劑去改善性能，這談不上是“殺手锏”級的用途。真正的“殺手锏”級的用途其實會帶來傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代，甚至創(chuàng)造全新的產(chǎn)業(yè)。
石墨烯新材料研發(fā)充滿著機遇，更充滿著挑戰(zhàn)，中國目前處于第一方陣，我們具有全球最大規(guī)模的基礎(chǔ)研究團隊，也擁有全球最活躍的產(chǎn)業(yè)研發(fā)團隊。對于石墨烯產(chǎn)業(yè)來說不能只關(guān)注現(xiàn)在，否則會丟掉未來，讓我們共同努力，打造石墨烯產(chǎn)業(yè)光明的未來!
