石墨烯機遇

吳佳

從沒有哪個新材料有過石墨烯這樣的風頭，它出現(xiàn)在任何行業(yè)都會被視為潛在顛覆者。石墨烯是由單層碳原子組成的平面薄膜，因為只有一爪原子厚，被視為二維材料。它是目前自然界最薄、強度最高的材料。從預測的角度來看，石墨烯極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產(chǎn)業(yè)革命。

近日由青島市高新區(qū)承辦召開的2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會，讓外行懂得石墨烯的廣闊用途，讓內行得到了石墨烯的前沿技術，為青島市新材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新升級燃起新“烯”望。

“這個時代將來最大的顛覆”

2004年的一天，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和他的學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫偶然發(fā)現(xiàn)了一種探索石墨組成的新方式。

他們強行將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，再用一種特殊的塑料膠帶粘在石墨薄片'撕拉下來后，石墨薄片一分為二。如此反復，石墨薄片越來越薄，最終制得石墨烯。這個只有一個碳原子厚的二維晶體的問世，很快便引起了全世界的研究熱潮。

它是世上最硬的材料，比鋼鐵堅硬200倍，卻又能自由彎折，伸拉幅度可以達到自身尺寸的20%；

它是世上最薄的材料，諾貝爾獎委員會畫圖說明，如果用石墨烯材料制作成1平方米的吊床，重量為0.77毫克，卻能承受4公斤的重物；

它是世上最佳的導熱/電材料，電流密度是銅的100萬倍，導熱率是銅的10倍。

它可替代傳統(tǒng)鋰電池，解決電動汽車發(fā)展的關鍵難題；可以替代硅，制造未來新一代超級計算機；應用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池；還可應用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工。透明手機、超輕防彈衣、超薄超輕飛機，甚至有想象力的天空電梯……

它就像味精一樣，在現(xiàn)有事物中加一點，便有可能化腐朽為神奇，達到點石成金的效果。鑒于石墨烯對未來產(chǎn)業(yè)的顛覆性功能，2010年的諾貝爾物理獎頒給了安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。

華為總裁任正非在去年接受媒體采訪時說，“我認為這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代，但是顛覆需要有繼承性發(fā)展，在硅時代的成功佼佼者最有希望成為石墨烯時代中的佼佼者。因為現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是7納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨已經(jīng)是技術革命前沿了?！?/p>

“如愛麗絲仙境一般神奇”

10月29日，石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一，安德烈·海姆教授應邀來到青島，參加2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會。海姆教授在會上講述了石墨烯的重要意義。

“五六年之前，我們看到的地球是三維的，我們可以從高度、長度、寬度來衡量它。而在我們周圍，所有的材料其實都是三維的，隨著石墨烯的出現(xiàn)，人們開始重點關注二維材料的性能。我覺得石墨烯對于很多人來說就像是愛麗絲仙境一樣，非常神奇。”

誰都不愿意錯失一個新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的良機。

2013年，歐盟宣布將石墨烯列入“未來新興旗艦技術項目”，將在今后10年研發(fā)資助10億歐元，期望通過石墨烯旗艦計劃的實施帶動歐洲制造業(yè)的回歸，解決就業(yè)，將石墨烯發(fā)展提升至戰(zhàn)略高度。

英國投入1.21億英鎊在曼徹斯特大學建立國家石墨烯研究院，利用諾獎得主的影響力，積極打造全球石墨烯創(chuàng)新中心。美國、韓國、新加坡、日本等國家均先后啟動專項資金支持石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

鑒于石墨烯巨大的應用前景，全球很多企業(yè)巨頭都對石墨烯“垂涎三尺”。例如韓國的三星電子、芬蘭的諾基亞、日本的索尼、挪威的CrayoNano、美國的IBM和AMD、加拿大的Lomiko金屬、美國的量子材料公司、土耳其的格拉芬化學工業(yè)公司。

一些過去想象不到的神奇科技已經(jīng)出現(xiàn)。

西班牙Graphenano公司（一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司）同西班牙科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池。用此電池提供電力的電動車，充電時間不到8分鐘，最多可以行駛1000公里。

美國的科學家以石墨烯為基礎材料，研發(fā)出一種新型的超級電容器，用它為一部蘋果手機充滿電，僅僅需要5秒鐘。

加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室組成的研究團隊，使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調制器，該光學調節(jié)器，只有頭發(fā)絲四百分之一細，卻具備高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍。一部10G左右的高清電影，一秒鐘，下載完畢。

中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院采用石墨烯基復合電極材料，開發(fā)出容量可控的鋰離子電容器器件。一輛原需充電10個小時的電動自行車，僅需3-5分鐘即可充滿。

世界的石墨在中國，中國的石墨看青島

數(shù)據(jù)顯示，我國是石墨儲量最大的國家，石墨儲量占全世界已探明儲量的71%，同時是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一，國內石墨烯產(chǎn)業(yè)大有可為。

2014年，工信部等三部委發(fā)文《關鍵材料替代工程方案》，明確將石墨烯列入三大關鍵性開發(fā)材料。截至目前，我國已形成由1000多支團隊，兩萬多研究人員組成的龐大石墨烯研究隊伍，主要集中在高校和科研院所。中國石墨烯企業(yè)已經(jīng)超過100家，并在常州、無錫、青島、深圳等地形成產(chǎn)業(yè)集群，石墨烯產(chǎn)品已經(jīng)在動力電池導電添加劑、防腐涂料、加熱產(chǎn)品、觸摸屏等領域進入市場。預計今年石墨烯產(chǎn)品銷售將超過5億元，拉動相關產(chǎn)業(yè)100億元。

2014年12月，習近平總書記赴江蘇高新技術產(chǎn)業(yè)研究院，調研石墨烯研發(fā)及參觀，對石墨烯產(chǎn)業(yè)寄予厚望。2015年10月23日，習近平總書記參觀曼徹斯特大學國家石墨烯研究院，并指出中英在石墨烯研究領域完全可以實現(xiàn)“強強聯(lián)合”。

近日，科技部火炬中心下發(fā)文件通知，由青島高新區(qū)組織申報的“國家火炬青島石墨烯及先進碳材料特色產(chǎn)業(yè)基地”正式獲批建設，標志著青島以石墨烯為引領的先進碳材料產(chǎn)業(yè)正式進入國家產(chǎn)業(yè)布局版圖。

青島高新區(qū)依托青島國際石墨烯科技創(chuàng)新園，建設國內首個國際石墨烯創(chuàng)新中心和北方唯一的國家級石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范基地；搭建青島國際石墨交易中心；設立1億元的國內首曜烯天使投資基金；同時加強國際交流合作，舉辦2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會和石墨烯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，主動鏈接國際創(chuàng)新資源，全力打造中國石墨烯創(chuàng)新發(fā)展高地。

截至目前，青島高新區(qū)已吸引“千人計劃”專家、“長江學者”和“泰山學者”等多名產(chǎn)業(yè)領軍人才落戶，引進石墨烯項目近30個，培育青島華高能源、青島瑞利特新材料兩家石墨烯公司在四板掛牌匕市，青島賽瑞達電子科技等三家公司入選青島市“千帆計劃”入庫企業(yè)，以石墨烯為引領的先進碳材料特色產(chǎn)業(yè)基地雛形已初步顯現(xiàn)。

記者了解到，位于青島高新區(qū)的青島華高墨烯科技股份有限公司主要批量生產(chǎn)以制作防彈材料、軍用輪胎、海水淡化的石墨烯材料；而青島瑞利特新材料科技有限公司主要生產(chǎn)石墨烯防腐涂料、導電油墨以及石墨烯金屬界膜劑。

據(jù)中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春介紹，海爾也正在嘗試將石墨烯材料用于冰箱除霜。將改變目前冰箱除霜運用電阻絲，能耗大、時間長的弊端，將引發(fā)除霜領域的—場技術革命。

《2015全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》統(tǒng)計，2013年全球石墨烯市場規(guī)模約為1250萬美元，并預計2020年石墨烯的市場規(guī)模將達到1.2億美元。報告認為，隨著全球石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及各國政府對其重視程度的提高，歐美亞三足鼎立的局面是發(fā)展的必然趨勢。而中國是最具發(fā)展?jié)摿Φ膰遥磥韼资陜群苡锌赡艹蔀槿蚴┬袠I(yè)“領跑者”和主導者。