“中國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國(guó)家之一。中英在石墨烯研究領(lǐng)域完全可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。相信雙方交流合作將推動(dòng)相關(guān)研究和開發(fā)進(jìn)程，令雙方受益。”這是2015年10月23日國(guó)家主席習(xí)近平在參觀英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院時(shí)作了以上講話。
距離習(xí)近平參觀斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院僅僅過(guò)去了一天，華為便宣布與曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究中心簽署合作協(xié)議，共同開發(fā)ICT領(lǐng)域的下一代高性能技術(shù)。該項(xiàng)目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領(lǐng)域的突破性成果應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信設(shè)備。
石墨烯究竟是什么？竟讓習(xí)主席如此關(guān)注
你一定想象不到，其實(shí)在普通鉛筆里就藏著石墨烯！石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的材料。換句話說(shuō)，鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無(wú)數(shù)層石墨烯疊在了一起，只要能把鉛筆芯分離得夠薄，就能得到石墨烯。
從化學(xué)成分看，石墨烯與鉆石一樣，本質(zhì)都是碳。但由于石墨烯的單層碳原子之間相互連接成穩(wěn)定的六角網(wǎng)格，所以這種極薄的材料既柔韌又堅(jiān)固：可以彎曲到很大角度而不斷裂，并抵抗很高的壓力，從而被稱為“全世界最硬”的材料。
美國(guó)機(jī)械工程師杰弗雷·基薩教授曾用一種形象的方法解釋石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上才能辦到。
石墨烯只有一層碳原子，非常非常薄，這就使得它在可見光下呈透明但又不透氣的狀態(tài)。加上一層原子的結(jié)構(gòu)構(gòu)成使得電子運(yùn)動(dòng)被限制在同一平面，這讓石墨烯具備了全新的電學(xué)屬性。研究物理的朋友簡(jiǎn)單地向我們解釋說(shuō)，就是把石墨做成層層的超薄納米材料，現(xiàn)在應(yīng)用得最多的是在電池上。
這種超薄納米材料，有特別好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，還很輕薄，并有一個(gè)超大的表面積。據(jù)《世界報(bào)》消息，西班牙一家石墨烯生產(chǎn)公司同西班牙一所大學(xué)合力研究出石墨烯聚合材料電池，這種電池有非常好的存電性，它的儲(chǔ)電量有可能是市場(chǎng)上最好產(chǎn)品的3倍。使用這種電池的電動(dòng)車可以最多行駛1000公里，而充電時(shí)間還不到8分鐘。
石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的？
石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。那么它是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？
石墨烯墨烯最早是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)相關(guān)專家分析，用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。
石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？竟引得各巨頭爭(zhēng)搶
華為今天宣布與曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究中心簽署合作協(xié)議同樣引起業(yè)界的關(guān)注，但華為絕非第一家對(duì)石墨烯虎視眈眈的巨頭。三星和蘋果也早早在石墨烯領(lǐng)域展開競(jìng)爭(zhēng)，希望盡早推出使用石墨烯材質(zhì)的產(chǎn)品。與此同時(shí)，其他領(lǐng)域的巨頭也在爭(zhēng)相拓展石墨烯的應(yīng)用空間。10月9日，中國(guó)中車株機(jī)公司宣布，自主研制的新一代大功率石墨烯超級(jí)電容問(wèn)世。據(jù)悉，全新的超級(jí)電容利用石墨烯的特質(zhì)，功率提升了3倍，電能運(yùn)用效率更高。
業(yè)界認(rèn)為，根據(jù)石墨烯的特性，電子紙、觸摸屏、燃料電池、飛機(jī)機(jī)翼、凈水科技等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。那么石墨烯可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？
根據(jù)2014年中科院發(fā)布了一份關(guān)于石墨烯的報(bào)告指出石墨烯的主要集中在如下四個(gè)領(lǐng)域：
傳感器領(lǐng)域。石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價(jià)石墨烯海綿傳感器。
儲(chǔ)能和新型顯示領(lǐng)域。石墨烯具有極好的電導(dǎo)性和透光性，作為透明導(dǎo)電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲(chǔ)能電池等方面有很好的應(yīng)用。石墨烯被認(rèn)為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業(yè)均在此領(lǐng)域作了重點(diǎn)研發(fā)布局。美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校研究人員利用KOH對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾重構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)，得到的超級(jí)電容的儲(chǔ)能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種獨(dú)特蜂巢狀結(jié)構(gòu)的三維石墨烯電極，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.8%，且價(jià)格低廉，有望取代鉑在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。東芝公司研發(fā)出石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極，并實(shí)現(xiàn)了大面積化。
半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。石墨烯被認(rèn)為是替代硅的理想材料，大量有實(shí)力的企業(yè)均開展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國(guó)成均館大學(xué)開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中使用。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IBM的研究人員開發(fā)出了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達(dá)100GHz，頻率性能遠(yuǎn)超相同柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率。
生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、DNA和蛋白質(zhì)檢測(cè)。如美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA測(cè)序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
這就能解釋為什么任正非早早就看中了石墨烯產(chǎn)業(yè)。任正非曾公開表示過(guò)：“現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已臨近邊界了，石墨烯是技術(shù)革命前沿”。試想，如果華為的手機(jī)用上了含有石墨烯的觸摸屏、芯片、充電器，不僅能運(yùn)行更靈敏，重量和設(shè)計(jì)也能更輕更薄。
石墨烯的未來(lái)前景
曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所是石墨烯研究和商用的領(lǐng)先機(jī)構(gòu)，推動(dòng)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同研究石墨烯的應(yīng)用。目前，已有40多家企業(yè)與曼徹斯特大學(xué)的235名研究人員合作開展石墨烯和相關(guān)二維材料的研究。英國(guó)國(guó)家工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)和歐洲區(qū)域發(fā)展基金分別出資3800萬(wàn)英鎊和2300萬(wàn)英鎊建立了曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所。
而我國(guó)石墨烯成本已經(jīng)從1000元/斤下降至100元/斤，石墨烯制備水平也不斷成熟，這為我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；l(fā)展打下了重要基礎(chǔ)。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院提供的《“十二五”期間中國(guó)石墨烯行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，我國(guó)已申請(qǐng)了2200多項(xiàng)石墨烯專利技術(shù)，數(shù)量達(dá)世界石墨烯專利的1/3。國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)分布中，我國(guó)已形成以江蘇省(常州、無(wú)錫、南京等地)為中心，寧波、青島、重慶、德陽(yáng)、河北、北京等地活躍分散發(fā)展的格局。預(yù)計(jì)在政策與企業(yè)研發(fā)不斷釋放利好的前提下，2015年我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破100億元，并在5至10年內(nèi)快速突破1000億元。
2015年以來(lái)，A股有10家公司先后宣布成立石墨烯研究公司、參與研究項(xiàng)目、就石墨烯項(xiàng)目進(jìn)行投資等事項(xiàng)。預(yù)計(jì)在政策利好下，石墨烯產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)新一輪投資熱潮。
