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石墨烯産業化 迎來突破前夜?

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石墨烯是一種二維的單層碳原子結構材料,它不僅是世界上最強、最堅硬、最薄的物質,同時由于它在已知的材料中電阻率最小、導熱系數最高,因此也是最理想的電極和半導體材料,被認為可以引發現代電子科技和信息技術的革命。

石墨烯比鑽石還堅硬,強度是世界上最好鋼鐵的上百倍,以至于科學家想用它制備夢寐以求的“太空電梯”超韌纜線。預計到2020年,石墨烯全球市值1.49億美元。石墨烯的未來,取決于我們能否提供可供高端的基礎材料。

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未來讓你享受如此輕松購物的,正是石墨烯技術在射頻識别上的應用。那麼,石墨烯這種神奇材料究竟能夠給我們的生活帶來怎樣的變革?我國未來能否實現産業化呢?帶着相關問題,科技日報記者專訪了一些中外著名科學家、産業人士,梳理石墨烯發展過程中的熱點問題,以厘清未來産業化的突破路徑。

“材料之王”将如何颠覆世界

大多數人有用鉛筆在紙上寫字的經曆,那留下的痕迹是石墨在一層層剝離,當剝離到最小極限隻有一個碳原子厚的單層石墨時,就是石墨烯。令人驚異的是,這種看似平常的物質,卻因由英國曼徹斯特大學兩位科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發現後共獲2010年諾貝爾物理學獎,從此猶如打開新材料世界的一扇“阿裡巴巴”之門。

“它是迄今為止在自然界中發現的最薄、機械強度最大的材料,可以被無限拉伸,彎曲到很大角度不斷裂,還可以抵抗很高的壓力。”諾獎得主海姆教授對科技日報記者說。

石墨烯比鑽石還堅硬,強度是世界上最好鋼鐵的上百倍,以至于科學家想用它制備夢寐以求的“太空電梯”超韌纜線。它穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性、極好的透光性和相對較高的機械強度。

如此出衆的石墨烯,令人充滿遐想與期待。濟甯利特納米技術有限責任公司董事長侯士峰博士給記者介紹說:“石墨烯的用途廣泛,未來可在加速物聯網構建方面大顯身手,如将石墨烯導電油墨産品應用于柔性電子設備、射頻識别标簽、柔性顯示設備和傳感器等。石墨烯還可以做到智能包裝,包裝袋上即時标注食品保質狀況,讓人真正體會到便捷、安全和實用。另外,它還将推動海水淡化等技術的發展,并能為新能源汽車提供續航裡程更高的電池等。”

未來石墨烯将有何發展态勢

很多人擔心,石墨烯會像當年納米材料剛出現一樣,還沒什麼産品,概念就炒得滿天飛,降低了産業信譽度;又恐像光伏産業一樣,衆多企業看好蜂擁,直至産量過剩。

而中國科學院院士、北京大學化學與分子工程學院教授劉忠範博士在接受科技日報記者專訪時指出,“石墨烯不是一個門檻很低的行業!不是誰都可以進入,它在技術上要求很高”。可以說這是一個潛力無限但風險極高的行業。

他說:“當前人們說起石墨烯的未來尚處于比較模糊的概念,未來它的發展态勢有三種期待,且用三個參比來描述:第一種期待是矽,離開矽就沒有了芯片,而信息化社會的主體是芯片;第二種是碳纖維,在某個領域占領市場,像日本東麗公司對碳纖維壟斷用于國防;第三種是塑料,已擁有百年發展曆程,在人們生活中必不可少。所以,對我們而言,石墨烯發展的最低标準是碳纖維,中端如塑料,最高标準是矽,但這種可能性有多大目前還不知道。”

10月底,由中國石墨烯産業技術創新戰略聯盟首次發布的《2015全球石墨烯産業研究報告》顯示,預計到2020年,石墨烯全球市場值1.49億美元,2014—2020年年複合增長率是44%,近期主要應用于複合材料、導電導熱塗層、超級電容器、锂離子電池等,未來進一步的發展可能是柔性顯示、太陽能、高性能芯片方面。從技術環境來看,石墨烯已經過了炒作的最熱時期,很多公司已經将注意力從石墨烯的制備轉移到終端應用,産業爆發點已經形成。

決勝未來的是高端研究

《“十二五”期間中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》顯示,我國已申請了2200多項石墨烯專利技術,數量達世界石墨烯專利的1/3。是不是可以說,我國的産業潛力遠超國外呢?

劉忠範指出,“我國要做是不會比國外差的,隻是歐洲與我們關注的東西不太一樣,相比之下,他們關注的是高端,我們關注的是低端,做的大多是電容器、锂電池,或把石墨烯作為‘工業味精’往水泥、塗料中摻,以提高他們的性能,但是并沒有把石墨烯的導電導熱特性發揮出來。由于這樣做比較容易進入,所以很多人都在做。然而,真正決勝石墨烯未來的是高端研究!歐洲、美國和日本現在都在做,這也是我們現在存在的問題。所以我們要有自己的基礎研究,不能總聽别人怎麼說”。

目前,有關很多石墨烯材料的研發成果僅限于實驗室中,而理想與現實有太大差距。現實是,至今尚無石墨烯的量産技術,且其制備成本太高,大大限制了産業化的發展,因此攻克石墨烯低成本規模化制備技術成為了相關産業發展中至關重要的一步。

劉忠範對科技日報記者說,“石墨烯将來有沒有用,取決于能把石墨烯這種材料做成什麼樣,我們能否提供可供高端的基礎材料。打個比喻,做衣服首先需要高質量的布,我們力争做出最好的布。碳纖維有标号,石墨烯材料将來也會有标号的,若前者可做10年的話,後者就可做30年。要做的理想狀态是像日本的碳纖維,在技術上做到壟斷全球市場”。

劉忠範強調,碳纖維應用範圍沒有石墨烯廣,如果能夠把握石墨烯的關鍵,相信未來是我們的。所有人都不懷疑石墨烯的應用,将來會發展得更迅猛,到那時誰能做出可供高端應用的石墨烯材料時,誰就是老大!

石墨烯的春天來了?

在青島召開的“2015中國國際石墨烯創新大會”落帷之際,歐盟石墨烯旗艦計劃執行委員會主席、英國劍橋大學石墨烯研究中心創始人兼主任安德裡亞·法拉利教授在接受科技日報記者采訪時興沖沖地說,此次來中國發現石墨烯的發展非常快,去年來隻看到很多企業生産的石墨烯材料,而今年居然看到了相關産品,比如烯旺科技研發制造的石墨烯智能理療護腰和發熱衣服等。

《2015全球石墨烯産業研究報告》指出,從政策環境來說,國家經濟處在重要的戰略機遇時期,要實現可持續發展,傳統材料就面臨着升級換代的要求,這也為石墨烯的産業化發展提供了一個機遇。我國自2008年開始由科技部和國家自然科學基金委陸續對石墨烯基礎研究進行支持。目前,我國石墨烯企業超過百家,并在常州、無錫、青島、深圳等地形成産業集群。

中國石墨烯産業技術創新戰略聯盟秘書長李義春對記者說:“我國雖然在全球應用産業方面做得比較領先,但作為一個制造業大國迫切需要産業轉型升級,内在需求和外部領域都很強烈。目前,中國已經逐漸成為全球石墨烯發展的核心,國外也願意與中國合作,由此,在推動石墨烯産業化方面,基于甯波達成建立國際聯盟大的框架,中國與國外幾個石墨烯領域的先行國家在2015中國國際石墨烯創新大會上達成了《青島共識》,深入開展的具體工作是:首先與英國形成強強聯合;與在歐盟旗艦計劃中承擔項目最多的西班牙的一些研究單位和企業聯合成立石墨烯研發平台;與意大利建立中意雙邊石墨烯創新合作項目;與德國共同推進建立國際石墨烯标準。”

正如有的專家所言“石墨烯的春天來了不為過,而诠釋其産業化還為時尚早,但其環境氛圍的春天來了”,可謂石墨烯從一開始就伴随着質疑、懷疑、打擊、茁壯成長,而它猶如身懷一身本領的“黑金”,終将會發光的。

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