石墨烯——雄霸未來市場(chǎng)的材料

2004年一個(gè)周五的傍晚，曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦汀·諾沃肖洛夫，在做一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)使他們獲得了極高的聲譽(yù)。

以前，海姆曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)中讓老鼠飄浮起來，因而獲得了一個(gè)微不足道的獎(jiǎng)勵(lì)。這次，兩位教授像玩游戲一樣拿著透明膠帶，把它們黏貼在普通的石墨上，然后又小心翼翼地把膠帶連同薄薄的一層石墨揭下來。

這兩位俄羅斯出生的物理學(xué)家所做的只是一件非常簡(jiǎn)單的事情。這件事很多人過去都做過，但是卻失敗了。然而就是這樣一件看似簡(jiǎn)單的事情，卻能夠在極大程度上改變未來。

就是這樣一層薄薄的石墨，一旦分離出來，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它具有一系列革命性的特性：導(dǎo)電速度超過硅的100倍；強(qiáng)度超過鋼的200倍……整個(gè)科技界對(duì)海姆和諾沃肖洛夫做出的貢獻(xiàn)極為贊賞，并授予他們2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諸如三星、IBM和英特爾之類的投資者和商業(yè)公司，開始意識(shí)到石墨烯的應(yīng)用大大有利可圖。

今后20年的創(chuàng)新遠(yuǎn)景

當(dāng)然，此類的技術(shù)突破以前也曾出現(xiàn)過，但在走出實(shí)驗(yàn)室，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮潛能以前，那些技術(shù)都漸漸消失了。

就如上世紀(jì)90年代，碳納米管也曾火爆一時(shí)，但在科學(xué)家和風(fēng)險(xiǎn)投資者中同樣都沒有紅火起來。問題在于，石墨烯是會(huì)像某些人想的那樣，成為材料科學(xué)的一次大飛躍，還是只是像碳納米管一樣，僅僅是一種科學(xué)規(guī)劃，缺乏有生命力的商業(yè)實(shí)用價(jià)值？

“我們已經(jīng)看到，碳納米管之類的納米材料，有著很好的性能，卻不能進(jìn)入市場(chǎng)，為投資者帶來回報(bào)?！崩湛怂寡芯克Y深評(píng)論家、《石墨烯能夠成就下一個(gè)硅谷嗎……或者只是另一個(gè)碳納米管？》一文的第一作者Ross Kozarsky說：“碳納米管的教訓(xùn)是它存在著大量炒作，大公司和小創(chuàng)業(yè)公司投入了大量資金，卻毫無效益。”

2010年以來，石墨烯平步青云，被稱為材料行業(yè)中有支柱作用的材料。但是正如人們每天都在做的事情一樣，它通常要用好多年，有時(shí)候甚至是幾十年的時(shí)間，才能進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域。

最近訪問曼徹斯特大學(xué)時(shí)，我看到這所大學(xué)仍然是石墨烯的“革命”基地，物理學(xué)家和技術(shù)人員正在努力使自家的創(chuàng)新技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，步入生產(chǎn)市場(chǎng)。

要做到這一點(diǎn)，他們需要開發(fā)涉及石墨烯的“殺手級(jí)軟件”，“軟件”要比現(xiàn)有技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)——不需要花太多的制造費(fèi)用。

最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇科學(xué)研究文章展望了石墨烯的前景。

文章說，研究人員為石墨烯制定了路線圖，展望了它在今后20年的創(chuàng)新遠(yuǎn)景。他們認(rèn)為，有彈性的消費(fèi)市場(chǎng)前景將在3年內(nèi)出現(xiàn)。真正廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品，比如超高速、低能耗信息處理機(jī)和記憶芯片，形成成熟的商業(yè)市場(chǎng)，則需要10年時(shí)間?，F(xiàn)在的觸摸屏使用的是銦錫氧化物，研究人員認(rèn)為石墨烯靈活的機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性，在這方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在，石墨烯應(yīng)用于高科技電子產(chǎn)品正處于關(guān)鍵時(shí)期?？茖W(xué)家用盡了各種招數(shù)，使事情按照摩爾定律來進(jìn)行。

因?yàn)殡娮映霈F(xiàn)不穩(wěn)定性，就像滴在灼熱平底鍋上的小水滴，硅線路越小，毫微紊亂就會(huì)出現(xiàn)得越多。科學(xué)家認(rèn)為，石墨烯量子的機(jī)械性有可能提供一種方法，使電子產(chǎn)品向著超小、高速，超低能耗等多樣性數(shù)碼電子方向發(fā)展。這樣就能集石墨烯的三種優(yōu)點(diǎn)于一身，制造出鹽素體晶粒醫(yī)用傳感器，在流動(dòng)血液中檢測(cè)出癌變細(xì)胞。

當(dāng)下石墨烯的市場(chǎng)主要是在研究上

如上所說，石墨烯大量專利項(xiàng)目已經(jīng)在全世界發(fā)布，所以不僅僅只是曼徹斯特大學(xué)的研究人員在致力于石墨烯的研究與應(yīng)用。據(jù)英國(guó)劍橋知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司（CambridgeIP）透露，三星公司率先行動(dòng)，一攬子購買下407項(xiàng)石墨烯專利和應(yīng)用程序，IBM 公司購買了134項(xiàng)。

三星公司曾與索尼公司一起，投入大量資金，研究使用石墨烯制造高靈敏度電子觸摸屏。但是，盡管公司已經(jīng)推出了以石墨烯為材料的柔性顯示器的宣傳視頻，可至今卻沒有正式產(chǎn)品展出，而索尼公司連宣傳視頻也還沒有。

作為芯片產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍者，英特爾公司也認(rèn)為石墨烯是一種很有前景的材料，但是還要做進(jìn)一步的研究。當(dāng)下他們正在和大學(xué)進(jìn)行合作研究。英特爾公司認(rèn)為，至少在5年之內(nèi)，石墨烯還不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

然而，一批石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)公司卻大膽宣稱，廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品已經(jīng)開始投放市場(chǎng)，其中包括石墨烯技術(shù)公司、Grafoid公司、國(guó)家納米材料公司、Xolve公司和Haydale公司等。

Kozarsky說，要評(píng)價(jià)他們做得怎樣，還為時(shí)尚早。去年，勒克斯研究公司瞄準(zhǔn)了石墨烯市場(chǎng)，但營(yíng)業(yè)額少得可憐，只有900萬美元，到2020年預(yù)計(jì)也不過只能達(dá)到1.26美元。

石墨烯產(chǎn)品大多是粗制濫造的，更多是用來做研究之用的石墨烯。當(dāng)下石墨烯的市場(chǎng)主要是在研究上，根據(jù)曼徹斯特大學(xué)的估計(jì)，全世界的公司和學(xué)術(shù)研究中心2012年花在研究上的費(fèi)用大約是10億美元。

石墨烯優(yōu)勢(shì)顯著

用石墨烯制造儀器，有一大優(yōu)勢(shì)。它是一個(gè)薄片，不會(huì)像碳納米管那樣自己來回滾動(dòng)。把薄片隨時(shí)彎曲起來并不那么容易，但是起碼有理由認(rèn)為，它不會(huì)像納米管那樣，因缺少原料而阻礙生產(chǎn)。

“形成石墨烯規(guī)模生產(chǎn)，還有很多事情要做?！甭鼜厮固卮髮W(xué)國(guó)家石墨烯研究所項(xiàng)目經(jīng)理Ivan Buckley說：“但是，石墨烯最大的挑戰(zhàn)是……如何把石墨烯超導(dǎo)、高強(qiáng)度和光學(xué)的優(yōu)異性能作為整體駕馭起來，只有這樣才能研制出超常產(chǎn)品?！?/p>

一旦科學(xué)家們學(xué)會(huì)了在產(chǎn)品中駕馭石墨烯無可匹敵的性能，他所說的超常應(yīng)用將有可能在今后10年內(nèi)出現(xiàn)。

“在很多方面，石墨烯都是理想的導(dǎo)電材料——它有著高導(dǎo)電性能和重量極輕的特點(diǎn)?！甭鼜厮固卮髮W(xué)教授、化學(xué)研究者Rob Dryfe說：“而這些，正是任何大的能量都能塞進(jìn)一個(gè)小薄片中的關(guān)鍵所在——石墨烯就可以自主排除其中的障礙?！?/p>

IBM公司的Avouris認(rèn)為，石墨烯的兆赫級(jí)導(dǎo)電能力，可以解決醫(yī)療領(lǐng)域的很多問題，比如傳感、醫(yī)學(xué)造像和短距離傳輸?shù)?。而公司也正在致力于研究高頻石墨烯晶體管和兆赫級(jí)電子儀器。

兆赫頻率處于紅外線頻率和微波頻率之間，所以它具有應(yīng)用于成像和傳感的潛能。Avouris說：“顯而易見，無線頻率是石墨烯應(yīng)用的領(lǐng)域之一，在這一領(lǐng)域它可以發(fā)揮重大作用?！?/p>

幾年前，在國(guó)會(huì)聽證會(huì)上，Darpa對(duì)決策者說，因?yàn)槭┯兄娛赂锩膽?yīng)用潛力，所以應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展。

在軍事裝備中，破壞力最強(qiáng)的屬高頻雷達(dá)，其威力是現(xiàn)在雷達(dá)的10到15倍，它可以探測(cè)到敵方的設(shè)施，從而提供對(duì)抗防御措施。軍事代理商對(duì)石墨烯也極感興趣，它在制造用于軍人的輕型耐久電池方面有著極大應(yīng)用潛力。

最緊迫需求是柔性顯示器的應(yīng)用

所有這些聽起來是不是讓人心潮澎湃，石墨烯發(fā)展前景非常壯觀。但是有那么多選擇，哪一個(gè)市場(chǎng)才是你投資的首選？

一個(gè)參考意見是，看一看材料發(fā)展史，如尼龍發(fā)展的歷史，可能對(duì)你有所幫助。尼龍從研發(fā)開始，僅僅用了幾年的時(shí)間就形成了規(guī)模市場(chǎng)，那是因?yàn)樗兄苯拥氖袌?chǎng)方向：女人的針織品。

圣約翰大學(xué)助理教授、《新材料革命：全球化時(shí)代技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展》的作者Sanford Moskowitz說：“有應(yīng)用前景的材料是以最短的時(shí)間和最便宜的價(jià)格投入市場(chǎng)的材料，這樣的材料往往最容易取得成功。”

Moskowitz指出，相比之下奧綸和滌綸都是上世紀(jì)50年代研發(fā)出來的，但是它們用了好多年才被工業(yè)采用，因?yàn)樗鼈冇刑倍嗟膽?yīng)用項(xiàng)目。

根據(jù)諾沃肖洛夫的路線圖，市場(chǎng)對(duì)石墨烯的最緊迫的需求是在柔性顯示器的應(yīng)用上。你可以想象得到，一個(gè)到處都是觸摸屏的世界，人們都在專注地等待著盡快出現(xiàn)一個(gè)顯示器的大改進(jìn)。

是的，大規(guī)模的材料生產(chǎn)需要時(shí)間，但是起碼不會(huì)像碳納米管那樣，中途受阻。石墨烯的商業(yè)化時(shí)代就要到來，在曼徹斯特大學(xué)之類的地方，越來越感覺到石墨烯會(huì)成為推動(dòng)英國(guó)走在21世紀(jì)科技尖端的領(lǐng)軍者。

曼徹斯特的石墨烯粉絲們，喜歡引用諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)2010年對(duì)這一跨世紀(jì)制造業(yè)創(chuàng)舉的評(píng)語：“石墨，是地球上所有已知的生命的基礎(chǔ)，現(xiàn)在它又一次使我們感到吃驚。”

（文章選自《連線》雜志 譯者：吳士異）