中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近10年來，“石墨烯”成了一個(gè)熱門詞語，引發(fā)了全世界的追捧浪潮。這種聽上去平實(shí)無華的物質(zhì)之所以一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便迅速被冠以“21世紀(jì)所發(fā)現(xiàn)的最神奇材料”，全賴其所具有的無與倫比的物理和化學(xué)特性——它是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最薄、最硬，也是電阻最低的一種“超級”納米材料，多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景給石墨烯帶來巨大的市場開發(fā)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，應(yīng)用潛力難以估量。
海姆制備石墨烯的工具。資料圖片
石墨烯的奇妙之處
眾所周知，人們常見的石墨是一層層以蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而形成的。但是一直以來，石墨烯卻被認(rèn)為是不可能在自然界中穩(wěn)定存在的。實(shí)際上，當(dāng)石墨被剝離到單層、只有一個(gè)碳原子厚度時(shí)，所得到的石墨片就是石墨烯，這在下文會(huì)提到。它看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。這種獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使之具有諸多優(yōu)異性能。
石墨烯的奇妙之處，似乎只有用量子物理學(xué)的概念方能充分詮釋。它薄，可以薄到只有一個(gè)碳原子的厚度，一毫米厚的石墨薄片中能夠剝離出300萬層石墨烯；它硬，它比鋼要硬上百倍；它透明而不透氣，在可見光下是透明的，但不透氣，這令它非常適合被用于制作保護(hù)層和觸摸屏、光伏電池等電子產(chǎn)品的原料；它導(dǎo)熱、導(dǎo)電奇佳，電阻比現(xiàn)有的良導(dǎo)體銅和銀還要低許多，極其適合被用以開發(fā)更薄、速度更快的新一代電子元件。
“誤打誤撞”發(fā)現(xiàn)石墨烯
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和他的學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實(shí)驗(yàn)室中成功地從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)穩(wěn)定存在。師徒二人也因“關(guān)于二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而一同獲得2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
海姆在實(shí)驗(yàn)室制得石墨烯的方法說來難以置信地簡單而原始：他偶然發(fā)現(xiàn)，用普通透明膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，然后撕開膠帶，薄片隨之一分為二，而不斷重復(fù)這一過程，就能得到越來越薄的石墨薄片，最后得到的樣品中就有由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。海姆在總結(jié)他的實(shí)驗(yàn)方法時(shí)說：“沒別的，就是誤打誤撞的亂試一氣。碰對了，就成了。”曾有報(bào)道說，海姆的“亂試”（try crazy things）在同行中是出了名的。在他身上還有一項(xiàng)紀(jì)錄值得一提：他是有史以來獲得“兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)”的第一人。除了發(fā)現(xiàn)石墨烯這一次，另一次是因成功地利用強(qiáng)磁場把青蛙懸浮在空中而榮獲2000年的“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”。當(dāng)年他還一本正經(jīng)地出席了頒獎(jiǎng)典禮，當(dāng)時(shí)可能沒人會(huì)想到，10年后他獲得了真正的諾貝爾獎(jiǎng)。
2012年10月，諾沃肖洛夫與其他科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了題為《石墨烯路線圖》的文章，描述了石墨烯在柔性電子（包括觸摸屏、電子紙、可折疊OLED等）、光子器件、復(fù)合材料、能量存儲(chǔ)、傳感、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。簡而言之，石墨烯應(yīng)用大有可為。
英國的石墨烯戰(zhàn)略
作為石墨烯的發(fā)現(xiàn)國，英國已將其確定為國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的重要新興技術(shù)之一，充分利用天時(shí)、地利、人和，力爭成為世界領(lǐng)先的石墨烯研發(fā)和制造基地。
2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立總投資達(dá)6100萬英鎊的國家石墨烯研究院；2012年12月，英國政府增撥2150萬英鎊用以資助石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究；到了2014年9月，英國又宣布投資6000萬英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補(bǔ)充，以期加速石墨烯應(yīng)用研究和開發(fā)。由此可見，英國致力于石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的決心和力度之大，正如英國財(cái)政大臣奧斯本所言，英國政府將“致力于確保讓英國的發(fā)現(xiàn)在英國做出名堂來”。
熱門的石墨烯甚至還曾驚動(dòng)了英國的金融監(jiān)管機(jī)構(gòu)。2013年底英國金融市場行為監(jiān)管局（FCA）曾專門就社會(huì)上的一些石墨烯投資騙局發(fā)出警告，提醒投資者小心上當(dāng)?！坝行┮允槊耐顿Y機(jī)會(huì)其實(shí)可能壓根兒就與石墨烯毫無關(guān)系?！盕CA的官員說，石墨烯的巨大市場前景和商業(yè)價(jià)值固然有著很強(qiáng)的吸引力，但如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)目前仍在探索中，石墨烯不可能很快走向市場。
鑒于石墨烯材料的廣泛應(yīng)用前景，歐盟也投巨資資助英國的石墨烯市場研發(fā)。2013年1月，曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究項(xiàng)目獲歐盟委員會(huì)總額達(dá)10億歐元（按當(dāng)時(shí)匯率約合8.55億英鎊）的“未來新興科技”項(xiàng)目撥款，這筆巨額科研經(jīng)費(fèi)是歐盟委員會(huì)最高金額的研究撥款，將在未來十年內(nèi)陸續(xù)劃撥給曼徹斯特大學(xué)。
石墨烯的時(shí)代還有多遠(yuǎn)
石墨烯發(fā)現(xiàn)十余年來，無論是科技界還是企業(yè)界都對其寄予厚望。然而，科學(xué)家們也承認(rèn)，石墨烯時(shí)代還需要等待。諾沃肖洛夫本人也認(rèn)為，作為一種新材料，石墨烯“前途雖光明，但是道路必曲折”。不僅在技術(shù)上需要克服重大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在商業(yè)應(yīng)用方面也有更新?lián)Q代所需要的投入產(chǎn)出比問題。
實(shí)際上，石墨烯的生產(chǎn)仍是一大難關(guān)，海姆與諾沃肖洛夫的手工發(fā)現(xiàn)顯然無法實(shí)現(xiàn)大工業(yè)的量產(chǎn)。而目前的各種替代制備方式都有各自的局限，要么損失強(qiáng)度，要么成本太高。迄今，科學(xué)家都還沒能找到適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)推廣的技術(shù)。石墨烯在電學(xué)性能方面也不是沒有缺陷，它和金屬電極的接觸點(diǎn)電阻問題也一直是困擾科學(xué)家們的難題。更令人擔(dān)憂的是石墨烯的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，石墨烯被認(rèn)為對人體可能有毒害風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，很多材料都有毒，本來它們也不是食品原料——但石墨烯有個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)在于它可能很容易擴(kuò)散。
面對石墨烯熱潮，諾沃肖洛夫認(rèn)為不能太夸大其作用。他表示，石墨烯的潛能也許只有在全新的應(yīng)用領(lǐng)域里才能充分體現(xiàn)。要發(fā)揮其作用，就要在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到這種材料的特性?？傊?，這位發(fā)現(xiàn)者認(rèn)為，石墨烯不是來顛覆舊材料的，而是來尋找真正屬于它的新平臺(tái)的。 （光明日報(bào)駐倫敦記者 戴軍）
多國布局石墨烯研發(fā)
石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日，研究和創(chuàng)新是法寶。特別是自英國曼徹斯特大學(xué)兩位教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因2004年在石墨烯研究方面的杰出成就而榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，除英國外，許多國家和地區(qū)對石墨烯研發(fā)的支持力度進(jìn)一步加強(qiáng)，僅以美國、韓國、中國為例。
美國通過國家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)持續(xù)支持。2006年至2011年間，美國國家自然科學(xué)基金會(huì)關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目近200項(xiàng)，重點(diǎn)項(xiàng)目包括石墨烯基超級電容材料、石墨烯材料連續(xù)大規(guī)模納米制造等。美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局還于2008年啟動(dòng)了碳原子射頻應(yīng)用項(xiàng)目，總投入2200萬美元，開發(fā)超高速、超低功耗石墨烯基射頻電路，即用石墨烯制造計(jì)算機(jī)芯片和晶體管。2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，使石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景，預(yù)示著未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片。
韓國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)石墨烯商業(yè)化。原韓國知識經(jīng)濟(jì)部曾計(jì)劃在2012年至2018年向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究。2013年，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，將整合韓國科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)力量推進(jìn)石墨烯商業(yè)化發(fā)展，41家科研機(jī)構(gòu)與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，政府將在未來6年投入4230萬美元，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)商業(yè)化，希望以此打造每年約153億美元的市場，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。
中國政府日益重視石墨烯材料的研發(fā)應(yīng)用。在石墨烯領(lǐng)域，中國與發(fā)達(dá)國家基本同處起跑階段。國家科技重大專項(xiàng)、國家973計(jì)劃圍繞“石墨烯宏量可控制備”“石墨烯基電路制造設(shè)備、工藝和材料創(chuàng)新”等方向部署了一批重大項(xiàng)目，取得了一批創(chuàng)新成果，國際影響力逐步提升。國家自然科學(xué)基金委也投入不菲，2007年至2012年石墨烯研究累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)達(dá)3.3億元。2012年，工業(yè)和信息化部把石墨烯列入《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)的興趣也日益升溫，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地紛紛設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟于2013年成立，旨在推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化。
（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所供）
