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全球湧動石墨烯熱(科技前沿)

超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、太空電梯……被譽為“21世紀神奇材料”的石墨烯以其神奇特性承載着人們的無數想象。世界主要國家均高度重視發展石墨烯相關産業,期待它帶來巨大的市場價值。

2014年底,西班牙石墨烯公司同科爾多瓦大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池,其儲電量是目前市場最好産品的3倍,用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公裡,而其充電時間不到8分鐘。該公司已與德國四大汽車公司中的兩家進行聯合測試,計劃在2015年将該電池投入生産。

2014年10月,美國麻省理工學院研究人員發現,揉皺的石墨烯紙可用于制備易彎曲、折疊或拉伸到其原始大小800%的超級電容器,且揉皺—平複1000次其性能也不發生明顯降低。

兩名英國科學家利用“膠帶”從石墨表面“撕”出的單層物質,為他們赢得了諾獎桂冠

石墨烯的發現者可能未曾預料到它的研發會有如此迅猛的突破。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械剝離法”,利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨——石墨烯。2010年諾貝爾物理學獎授予了這兩位物理學家,以表彰他們對石墨烯的研究。

石墨烯是單原子層的二維晶體材料,也是結構最為簡單的碳材料。常見的石墨材料可以看作由石墨烯層層堆疊而成,因此石墨烯也被視作 “單層石墨”。被譽為“21世紀神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最堅硬、室溫下導電性最好而且擁有強大靈活性的納米材料:它可以薄到隻有一個碳原子的厚度,1毫米厚的石墨薄片中能剝離出300萬層石墨烯;它很硬,其強度比鋼還要高200倍;在室溫下,電阻率最低的物質是銀,而石墨烯的電阻率比銀還小;它透明而不透氣……種種特性使石墨烯未來在觸摸屏、傳感器、蓄電池等諸多領域的應用充滿想象。

科學家預計,未來5到10年裡,石墨烯研究會有很大發展,首個石墨烯觸摸屏将在三五年内上市,石墨烯電子紙樣品2015年可以研發成功,超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、高強度航空材料,甚至更富想象力的太空電梯等未來設備将在相關領域引發革命性突破,并帶動價值數萬億美元的新興産業鍊。

目前,石墨烯原材料石墨的市場售價約為3000元/噸,而提煉成石墨烯後,石墨烯的市場售價高達100萬元/噸。随着批量化生産和大尺寸難題逐步突破,石墨烯的産業化步伐正在加快,國内外相關機構的科研投入力度也在上升,市場關注度随之升溫。

中國

發展迅速,基礎與應用研究并行

中國是目前石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一。數據顯示,在所有國家中,中國申請的石墨烯專利數量最多,已超過2200項,占全世界的1/3。2013年工信部發布的《新材料産業“十二五”發展規劃》中的前沿新材料中就包含石墨烯。國家自然科學基金委資助了大量有關石墨烯的基礎研究項目,國家科技重大專項、國家973計劃也部署了一批重大項目。各級政府對石墨烯表現出極大的興趣,已經初步形成了政府、科研機構、研發和應用企業協同創新的官産學研合作對接機制。2011年10月,江蘇常州成立了江南石墨烯研究院,為國内首個基于石墨烯材料及應用的産業化基地。

中國目前已經走在了石墨烯産業化的前列,湧現出了一大批石墨烯相關企業,産業方向集中在石墨烯的制備以及儲能、觸摸屏和塗層等幾個應用領域。科學家也已經開發了一系列石墨烯基儲能材料,如石墨烯基高密度多孔碳材料,為促進石墨烯的實際應用鋪平了道路。2013年7月,中國石墨烯産業技術創新戰略聯盟在北京成立。聯盟的成立有助于整合協調産業資源,建立上下遊、産學研信息、知識産權等資源共享機制,提升石墨烯産業鍊的整體創新水平和競争力。

英國

投入巨資,确保英國能做出名堂

英國是石墨烯的“誕生地”,但是相關研發和産業化卻落後于中國、韓國、日本和新加坡等亞洲一些國家。

為改變這種局面,近幾年,英國政府投入巨資加速石墨烯的研發。2011年,英國政府宣布投入5000萬英鎊(1英鎊約合1.52美元)支持石墨烯研究,包括建立總投資達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用領域的研究;2013年英國政府聯合歐洲研究與發展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院,由兩位諾貝爾獎得主領銜,該研究院預計于2015年初建成。2014年,英國政府聯合馬斯達爾公司宣布繼續投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創新中心,作為國家石墨烯研究院的補充,加速石墨烯的應用研究和開發,維持英國在石墨烯及其他二維材料方面的世界領先地位。英國财政大臣奧斯本稱,英國政府将“緻力于确保讓英國的發現在英國做出名堂來”。

不僅如此,英國還湧現了衆多緻力于石墨烯生産和應用的公司,比如英國著名的體育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的網球拍,諾瓦克·德約科維奇等衆多網球明星都在使用這款球拍。

美國

實力雄厚,科研與産業并駕齊驅

美國作為科技強國,研發實力強,對石墨烯的研究投入開始較早,投入力度也相對較大。美國國防部高級研究計劃署2008年7月就發布了總投資2200萬美元的碳電子射頻應用項目,旨在開發超高速和超低能量應用的石墨烯基射頻電路。2006年—2011年間,美國國家自然科學基金關于石墨烯的資助項目有200項左右,涵蓋了石墨烯研究和應用的各個領域。2014年,國家自然科學基金投入1800萬美元、美國空軍科研辦公室投入1000萬美元對石墨烯及相關的二維材料開展基礎研究。

美國良好的創業環境也促使了衆多小型石墨烯企業的誕生,産業化和應用進程相對較快。美國具有衆多研發實力強勁的大型企業,如國際商業機器公司(IBM)、英特爾、波音等投入大量的科研力量進行石墨烯的研發。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性能彰顯出應用前景,預示着未來可用石墨烯圓片來替代矽晶片。2014年10月,IBM研究人員發現石墨烯材料能大幅降低藍光LED成本,而這種技術有機會催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“後矽時代”組件,為此,該公司計劃未來5年内投入30億美元研究下一代芯片技術。

歐盟

聯合研發,積極搶占戰略制高點

歐盟近年來對石墨烯的研發也投入較大。截至2011年,歐盟總共投入了約1.5億歐元推動石墨烯的相關研發。歐盟現有50餘家公司在開展石墨烯的研發、産業化以及應用的推進。除了政府推動的學術研究,許多工業巨頭,如巴斯夫及拜耳公司等,也投入了相當的人力和财力加強對石墨烯相關應用的研發。

2013年1月,歐盟委員會更是将石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一,計劃10年内提供10億歐元資助,将石墨烯研究提升至戰略高度,旨在把石墨烯和其他二維材料從實驗室推向社會,促進産業革命和經濟增長,創造就業機會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發團隊組成,其中包括4名諾貝爾獎得主。

作為歐盟的重要成員國,德國于2010年啟動了石墨烯優先研究計劃,包括38個研究項目,前3年預算經費為1060萬歐元;德國聯邦教研部也于當年投入了700萬歐元資助相關研究,旨在加深對石墨烯性能的理解和操控,為新型石墨烯基電子産品奠定基礎。2012年10月,德國慕尼黑工業大學的科學家成功制成石墨烯光電探測器,石墨烯制成的光電探測器能非常快速地處理和引導光電信号。

韓國

重視專利,政府與企業合力發展

韓國石墨烯相關研究與産業發展迅猛,這不但得益于韓國政府近年來不間斷的支持,也得益于本國大型公司的巨大投入。韓國原知識經濟部預計2012至2018年間向石墨烯領域提供總額為2.5億美元的資助,其中1.24億美元用于石墨烯技術研發,1.26億美元用于石墨烯商業化應用研究。2013年,韓國産業通商資源部宣布整合韓國國内研究機構與企業力量推進石墨烯商業化發展,包括韓國科學技術院在内的41家研究機構将與6家企業形成石墨烯聯盟,合作攻關,政府将在未來6年投入4230萬美元,希望打造每年153億美元的市場,形成25家全球領先企業。韓國注重保護和申請石墨烯專利,專利量居全球第三,僅次于美國和中國,遠高于歐洲其他國家。

産業企業層面,韓國三星投入了巨大研發力量,保證了其在石墨烯應用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位,在2011年研發出40英寸的石墨烯觸摸屏面闆。2014年,三星先進技術研究院與韓國成均館大學聯合宣布合成了一種能在更大尺度内保持導電性的石墨烯晶體,是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設備上的屏幕顯示技術。韓國科學家也于去年11月宣布發明最新的石墨烯超級手機電池,可存儲與傳統電池等量的電量,但充電時間隻需16秒。

日本

政府資助,衆多企業争相參與

日本作為碳材料産業最發達的國家之一,從2007年起就對石墨烯的開發進行資助。例如:日本科學技術振興機構2007年就對石墨烯材料和器件的技術開發項目進行資助;經濟産業省2011年實施的“低碳社會實現之超輕、高輕度創新融合材料”項目,重點支持了碳納米管和石墨烯的批量合成技術。

除了日本政府的相關投入外,日本衆多企業,如日立、索尼、東芝等投入了大量資金和人力從事石墨烯的基礎研究以及應用開發,并取得了顯著進展。日本索尼公司2012年就研發出了可以生成長度達120米的石墨烯的透明薄膜化學氣相生長技術。

(作者單位為清華大學深圳研究生院、深圳市石墨烯重點實驗室和天津大學化工學院)

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