打印页面

首页 > 论坛海疆观察 中国进入石墨烯时代?静候再静候

中国进入石墨烯时代?静候再静候

也许有一天,你能把掌上电脑三折两叠塞进牛仔裤后兜;也许有一天,你用喝一杯咖啡的工夫就能为手机电池充满电量;也许有一天,你手持淡化杯,用手压一压就可在几分钟内将一杯海水淡化成饮用水;也许有一天,你的生活中出现了超轻型飞机、防弹衣、轻型汽车……这些并不是天方夜谭,有“21世纪神奇材料”之称的石墨烯就可能帮我们实现。

石墨烯究竟有多神奇?会否给生产生活领域带来“颠覆性”变化?今天,我们就走近它一探究竟。

可能彻底改变某些领域

在2004年被分离出来后不久,石墨烯就已经成为全世界研究人员痴迷的对象。石墨烯因此被戴上了许多光环。它被称为“黑金”,是“新材料之王”,有科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

“石墨烯的‘神奇之处’在于它是‘量变引起质变’的一个典型实例,同时也蕴含着‘矛盾统一体’的哲学思想。层状的石墨最上面那层仅有原子厚的片层竟然可以脱离‘母体’而独立且稳定存在,性能却有了突变。石墨是‘最黑’的材料,而石墨烯却可以做透明电极;石墨烯具有超高理论硬度和强度,却又是‘最柔软’的材料。石墨烯的出现颠覆了我们关于材料的一些固有的常识,让我们重新认识了二维材料,并有意识去寻找更多的二维材料。”清华大学材料学院教授朱宏伟说。

令人感兴趣的是,神奇的石墨烯在我们的生产生活领域又将会有哪些应用前景呢?

朱宏伟表示,石墨烯的应用可简单分为“取代式应用”和“独占式应用”,也可以称为“低端应用”和“高端应用”,因为制备、加工方法的特殊性,石墨烯在电子、能源、环境等领域的应用将有可能在很大程度上改变人类的生活和生产方式。

与其他材料相比,石墨烯的最大特点就是薄。中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员、石墨烯课题组组长陈成猛认为,正是石墨烯的这种二维结构,使其呈现出特异的力、热、光、电、磁等物理性能,给我们的未来世界带来无限遐想。

“举例来讲,石墨烯导电性非常好,在其二维平面上,电子的运动速度达到光速的三百分之一,远高于银、铜、晶体硅等一般导体。如果能将它用在微电子领域,则有希望开发运算速度更快的芯片,甚至替代硅,让计算机进入‘碳’时代。”陈成猛说,“它透光性也非常好,只吸收2.3%的可见光,可以作为新一代的触摸屏材料。到时候我们的手机和平板将更轻薄,运算速度更快,而且可以折叠起来,便于携带。”

陈成猛还指出,石墨烯这种材料非常高效,如同“工业的味精”。例如,作为导电剂用于超级电容器或锂离子电池时,一般加炭黑要5%,而如果用石墨烯来替代,则大约只需0.5%~1%;它还能大幅提升电池的充电速度,推动电动汽车普及;对于金属、陶瓷、橡胶和塑料等来讲,道理是一样的,在良好分散的前提下,添加少量石墨烯就能大幅改善基材性能,形成既强韧,又能导电、导热的功能复合材料,应用于飞机、汽车、轮船和体育器材等,并推动这些领域的技术升级与产业进步。

青岛华高墨烯科技股份有限公司总经理钟成也表示,石墨烯作为一种优秀的功能性添加剂,在高强度复合材料、橡胶轮胎、防腐涂料中有巨大的市场潜力。在这些应用中,石墨烯提高了现有材料的整体性能,提高幅度从30%到200%以上。

钟成说,石墨烯还有一大特点是可修饰性好,能够相对容易地调节改变其性能,调节范围很宽。比如通过简单的化学方法,可以把石墨烯从导电调节到绝缘,从亲水调节到憎水,甚至可以指定石墨烯与某些分子进行结合。在这方面,石墨烯海水淡化和污水处理是相对比较成熟的技术,在一两年内有望实现产业化。当然,石墨烯对雾霾的处理也是很多科学家和工程师正在研究的课题,但据了解目前还没有很好的成果。

总之,石墨烯是一种新型的基础材料,处于产业链最上游,其应用领域非常广泛,只要善加利用,可能渗透到生产生活的各个环节。钟成特别强调,石墨烯虽然是一种非常优秀非常独特的材料,但绝不是万能的,也不是任何产品都可以加点石墨烯来改进。大家既要关注石墨烯,又要清醒地意识到石墨烯的应用范围和可行性,避免非专业人士带来的误导。

中国有一定领先优势

关于未来“石墨烯时代”的美好蓝图被不断描绘,而现实究竟是怎样?在我国,它的研究成果和产业化现状如何?

陈成猛介绍说,中国的石墨烯研究与国际一直处于并行状态,甚至在某些产业领域还拥有一定的领先优势。基础研究方面,我国的石墨烯相关论文数量在世界上已名列前茅,这也表明我国科学家在石墨烯研究上的辛勤付出。依托中国的产业基础,总体上我国在石墨烯粉体和薄膜的规模化制备,超级电容器和锂电池储能应用,导电油墨、防腐涂料和抗静电塑料等功能复合材料领域取得了令世界瞩目的成绩。

当下石墨烯已走出实验室,在产业化的路上正昂首阔步。就像有人所说,石墨烯是工业味精,正给我们的生活带来别样的滋味。

2015年3月,全球首批量产石墨烯手机在重庆首发,首批产量为3万台。这款名为影驰“SETTLERα(开拓者α)”的石墨烯手机,核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院,和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发,采用最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料。

据悉,石墨烯手机具有屏幕画面更逼真,电池续航时间、使用寿命更长等优点,并解决了手机发烫的问题。中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员史浩飞对记者说,目前,石墨烯触控屏手机已经进入下一代,手机本身更加完善,已有批量订单。

去年10月底在青岛举办的“2015中国国际石墨烯创新大会”也首次举办了石墨烯新产品发布会,有20余种石墨烯产品进行全球首发,石墨烯理疗、保暖产品、服装、LED用高导热石墨烯复合材料、高导电涂料、石墨烯防弹材料、石墨烯电热服装等最新科技成果举行了现场发布。

此外,在膜材料领域,钟成介绍,青岛华高与清华大学联合研发成功了石墨烯海水淡化膜和石墨烯污水处理膜,可以简化设备,降低压力,明显降低水处理成本。譬如设计户外装备,一个水杯大小的淡化杯,用手压一压就可以喝到干净的淡水了。也许在不远的将来,通过石墨烯膜技术,我们再也不需要为淡水的缺乏而犯愁。

不过总体上我国石墨烯的应用开发仍处初级阶段。

石墨烯时代仍需静候

据统计,截至目前,我国石墨烯企业已超过百家,并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业集群。业内人士认为,我国石墨烯产业发展势头迅猛,但上游强下游弱、重科研轻应用、噱头多实干少等现实仍是产业发展亟须突破的瓶颈。

朱宏伟说,我国在石墨烯粉体和浆料制备技术方面走在世界前列,我们的石墨资源储量丰富,基于剥离工艺的批量生产能力已初具规模。但距离普及应用尚需时日,因为“独占式应用”对材料质量要求高,即便是“取代式应用”,也要找到合适的应用“切入点”,否则会受到现有材料的阻碍和冲击。需要攻克的难关从根本上来讲还是“材料制备”,石墨烯的制备技术(尤其是高性能石墨烯薄膜的制备)现在处于一个瓶颈,需要基础研究上的突破。

陈成猛也指出,从生产端来看,存在着石墨烯原料规模化生产成本高、产品品质待提升、品质稳定性待提高等难题。从应用端来看,也存在着央企和国企对石墨烯关注少,上下游互动不够、投融资不足等问题。

面对技术转化能力弱、工装控制精度低、质量性能波动大、生产成本比较高、标准化建设滞后、商业应用领域窄等问题,2015年11月30日,工信部、发展改革委、科技部联合印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出以问题为导向,以需求为牵引,以创新为动力,把石墨烯产业打造成先导产业。到2018年,实现石墨烯材料稳定生产,在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用。到2020年,形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,在多领域实现规模化应用,形成若干家具有核心竞争力的石墨烯企业,建成以石墨烯为特色的新型工业化产业示范基地。

李义春预计我国石墨烯产业发展将分三个阶段。第一阶段,以石墨烯材料作为“工业味精”添加到基体材料的模式为主导,这将持续到2018年;2018-2020年,将在应用上有所突破,石墨烯薄膜生产成主导;2020-2030年,石墨烯在微电子等高端应用上将占主导。

“产业发展有其自身规律,目前石墨烯产业还处于初级应用阶段,还在量变过程中,大家不应该急于求成,而应该保有耐心,培育、呵护这种新兴产业健康、可持续发展。”青岛高新区节能技术与新材料事业部部长张志强说。或许对于真正的石墨烯时代,就像歌中唱的那样“问到何时葡萄先熟透,你要静候,再静候。”(苏州大学物理与光电·能源学部副教授尤文龙对本文亦有贡献)

简介:石墨烯是如何被发现的?

能想象么,普通铅笔芯里就藏着石墨烯?没错,科学家告诉我们,石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料。换句话说,铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在了一起,只要能把铅笔芯分离得够薄,就能得到石墨烯。

在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,就以铅笔芯的主要成分——石墨为实验对象,用普通胶带完成了他们的“魔术”。他们用胶带从石墨上粘下薄片,这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但经过反复粘贴后,薄片就变得越来越薄,最终产生一些单层石墨烯。海姆和诺沃肖洛夫把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上,光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹,就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应,他们观察到了单层石墨烯。

石墨烯是什么样的呢?想象有那么一张单层的网,每一个网格都是一个完美的六边形,每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚,可以说没有高度、只有长宽,是二维而不是三维的。这就是石墨烯,它是人类已知的最薄材料。

海姆和诺沃肖洛夫的实验让石墨烯从此进入大众视野,成为材料家族中光芒四射的新星。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

文章来源:http://www.haijiangzx.com/2016/0114/648147.shtml