石墨烯的應(yīng)用開發(fā)與廣闊前景

紀屏

國家主席習近平今年訪英期間，參觀了曼徹斯特大學國家石墨烯研究院，他肯定該院在石墨烯領(lǐng)域的研究實力和國際影響力，并指出，在當前新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導，對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等各個領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國家之一。中英在石墨烯研究領(lǐng)域完全可以實現(xiàn)“強強聯(lián)合”，雙方受益。

一、什么是“石墨烯”

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。它是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞·諾沃謝夫和安德烈·蓋姆小組首先發(fā)現(xiàn)的。石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對論量子物理學才能描繪。石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

二、石墨烯的應(yīng)用與前景

石墨烯作為21世紀最具應(yīng)用前景的發(fā)明之一，對于它的一系列發(fā)明創(chuàng)造，不僅為其商業(yè)化拓寬了渠道，也令這一概念在資本市場持續(xù)保持著相當?shù)摹皽囟取薄?/p>

石墨烯主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電子、生物醫(yī)療、軍工、精密制造業(yè)、化工業(yè)。有專家表示，石墨烯在電子器件、光學器件、柔性電子、輕型功能部件、先進電池等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，并有望對電子信息等多個產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。歐洲正是意識到石墨烯的戰(zhàn)略重要性，才著力推進石墨烯的商業(yè)化進程。

從石墨烯的應(yīng)用前景來看，采用石墨烯技術(shù)新產(chǎn)品的例子包括高速、柔性、牢固的電子消費品，更輕、更節(jié)能的飛機。從更長遠的角度來看，預(yù)計石墨烯將引起新的計算技術(shù)范式和人造視網(wǎng)膜這樣的革命性醫(yī)學應(yīng)用。據(jù)研究人員預(yù)計，首個石墨烯觸摸屏設(shè)備將在3-5年內(nèi)上市。鑒于采用石墨烯制成的觸摸屏設(shè)備持久耐用，這將開啟柔性電子的新途徑，即可卷曲的電子紙是另一項應(yīng)用，可在2015年研發(fā)出樣品。

三、石墨烯中國力量正在崛起

據(jù)波士頓的Lux研究公司報道，中國已經(jīng)在碳納米管和石墨烯的研究制造中處于全球領(lǐng)先地位。Lux預(yù)測全球石墨烯的plaflet和碳納米管市場需求在2018年時分別為1520噸和2016噸。然而，僅中國的供應(yīng)量就足以供應(yīng)直到2016年的全球石墨烯nanoplatlet需求；Lux認為，隨著石墨烯和碳納米管nanoplatlets的產(chǎn)能增加，以及產(chǎn)能利用率的提高，未來其價格將繼續(xù)下降，同時會擠壓納米材料的利潤率。

中國已經(jīng)成為全球石墨烯的出版物領(lǐng)先者，專利數(shù)量居全球第二名；其碳納米管制造可能占到了全球的50%。另根據(jù)Lux的觀察，雖然石墨烯的工藝和制造技術(shù)仍顯落后，但是中國正在迅速追趕，主要體現(xiàn)在快速的增長率。

中國在石墨烯制造方面有一個亮點，是Sixth Element與寧波的Morsh，其在石墨烯的nanopetlets制造方面，已經(jīng)具備超過美國的能力。

據(jù)Lux數(shù)據(jù)，2014年中國國內(nèi)的石墨烯和碳納米管市場分別達到2240萬美元和4840萬美元，主要驅(qū)動力來自鋰離子電池和新的應(yīng)用，如涂料和熱耗散材料等。

中國在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個方向上也在進行積極探索。石墨烯觸摸屏的研發(fā)方面，常州二維碳素科技公司的研發(fā)團隊已突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機的觸摸工藝，實現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)有ITO模組工藝線的對接。

10月23日，中國華為宣布與曼徹斯特大學進行共同開發(fā)ICT領(lǐng)域的下一代高性能技術(shù)的合作研究，該項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)用于消費電子產(chǎn)品和移動通信設(shè)備。

10月27日，四川省巴中市在位于川陜交界的南江縣上兩廟坪發(fā)現(xiàn)新的高品位石墨礦點，初步測算南江石墨礦物量在1000萬噸以上。

2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會于10月28日至30日召開。由諾貝爾獎得主安德烈-蓋姆領(lǐng)銜的多位專家，就石墨烯在環(huán)保、鋰電池、可穿戴等領(lǐng)域的應(yīng)用前景展開了深入探討。

資料顯示，截至目前，中國石墨烯企業(yè)已超過100家，已居全球領(lǐng)先地位。此次大會的召開，提升了社會各界對石墨烯及其應(yīng)用的認識。目前，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好，技術(shù)不斷突破、軍用民用領(lǐng)域迅速拓展，石墨烯產(chǎn)業(yè)化提速明顯。

石墨烯可預(yù)見的發(fā)展空間全球大約1000億美元，國內(nèi)400億元，一旦產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)進一步突破，未來無可限量。