這種世界上最薄的物質(zhì),比鋼鐵還要強(qiáng)韌100多倍如果把厚度相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑十萬分之一的石墨烯,疊成保鮮膜那樣厚,需要一頭大象站在一支鉛筆上所產(chǎn)生的壓強(qiáng),才能刺破它。
這種目前已知最薄、最硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱最好的材料,被發(fā)現(xiàn)短短十年來,已成為各國(guó)科學(xué)界炙手可熱的新材料。目前中國(guó)沿海多地,都雄心勃勃地籌備著自己的石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。
作為中國(guó)在該領(lǐng)域的最權(quán)威研究者之一,中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授劉忠范,就中國(guó)的石墨烯研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)情況接受了《了望東方周刊》專訪。
他認(rèn)為,雖然石墨烯還處于基礎(chǔ)研究階段,但的確可能在能源、環(huán)境、航天、軍事等關(guān)鍵領(lǐng)域有廣闊發(fā)展空間,而作為碳材料研究大國(guó)的中國(guó),石墨烯研究已走在了世界前列。
不過,劉忠范表示,目前對(duì)石墨烯前景的認(rèn)識(shí)尚不明朗。
紙一樣輕薄的防彈衣
《了望東方周刊》:石墨烯到底是什么?
劉忠范:石墨烯是人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)二維原子晶體。首先它是世界上最薄的物質(zhì)之一,僅相當(dāng)于人頭發(fā)絲直徑的十萬分之一。即使如此,石墨烯卻是世界上最堅(jiān)固的物質(zhì),比鋼鐵還要強(qiáng)韌100多倍。
從其他方面講,石墨烯的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性也非常良好。可以說它的出現(xiàn)刷新了人類對(duì)于物質(zhì)世界和微觀世界的認(rèn)識(shí),也為科研工作者開辟了一片嶄新的廣闊天地。
所以在石墨烯被發(fā)現(xiàn)短短六年之后,也就是2010年,它的發(fā)現(xiàn)者就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這在諾貝爾獎(jiǎng)歷史上也是不多見的。
《了望東方周刊》:石墨烯具體可以用來做什么?
劉忠范:作為一種新興的納米材料,石墨烯的應(yīng)用前景并不十分明朗。目前關(guān)于石墨烯的研究絕大部分仍處于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究階段,但某些應(yīng)用已經(jīng)初現(xiàn)端倪,比如距離出現(xiàn)在我們?nèi)粘K玫碾娮釉O(shè)備中的日子不遠(yuǎn)了。
現(xiàn)在柔性電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備等概念非常流行,但手機(jī)、iPad脆弱的屏幕是短板。石墨烯擁有很好的柔韌性,可以任意彎折而不破壞性能。石墨烯還可以用作柔性電池的電極。如果這種設(shè)想實(shí)現(xiàn)了,那么我們的手機(jī)就薄如紙片,有iPad那么大的屏幕,不用的時(shí)候又可以折疊裝進(jìn)口袋。穿戴設(shè)備的弧度也可以隨意調(diào)整,使它完全貼合身體。
另一方面,石墨烯具有非常高的化學(xué)惰性,因此可以用作某些軍工材料或設(shè)備的涂層,使它們耐腐蝕。石墨烯密度極小,又無比堅(jiān)固,可以大大減輕材料重量,同時(shí)又獲得極高的機(jī)械強(qiáng)度。例如可制成像紙一樣輕薄的防彈衣。
如果石墨烯用在航空航天設(shè)備中,可大大減少負(fù)荷。將石墨烯作為金屬材料的添加劑,例如烯合金,會(huì)大大提高合金材料的屈服和抗拉強(qiáng)度,在航天領(lǐng)域潛在應(yīng)用價(jià)值極大。
石墨烯還可以吸收微波波段的輻射,這能用于制造隱形飛機(jī)。美國(guó)NASA正在研制石墨烯的微型傳感器,并計(jì)劃用于航天過程中對(duì)氧氣含量的精確監(jiān)測(cè)。
總之,希望也相信科學(xué)家們無窮的創(chuàng)造力,將會(huì)使這些慢慢變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
正從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過渡
《了望東方周刊》:你對(duì)石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的時(shí)間有何估計(jì)?
劉忠范:至少需要5~10年。盡管未來幾年內(nèi)可能會(huì)有一些石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入大眾的視野,但距離大規(guī)模應(yīng)用仍有一段路要走。
我們欣喜于石墨烯正從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過渡。比如常州、無錫等地,投資組建了我國(guó)第一個(gè)關(guān)于石墨烯研究與產(chǎn)業(yè)孵化機(jī)構(gòu),發(fā)布了《無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》。
如果問石墨烯可能在哪個(gè)行業(yè)最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?較有希望的可能是觸摸屏、柔性電子器件等領(lǐng)域。這要綜合考慮相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度、制造成本、市場(chǎng)需求、現(xiàn)有技術(shù)的成熟度和不足等諸多因素。
另外,如果體相石墨烯的制造成本可降至足夠低,并且石墨烯質(zhì)量能再提高的話,添加石墨烯力學(xué)增強(qiáng)的復(fù)合材料有望很快進(jìn)入市場(chǎng)。
產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)復(fù)雜的問題,牽涉多個(gè)層面,當(dāng)然最為核心的仍是產(chǎn)品質(zhì)量與成本。從質(zhì)量上看,例如對(duì)于大面積石墨烯薄膜的應(yīng)用來說,石墨烯的導(dǎo)電性、轉(zhuǎn)移過程中的破損與污染等因素,都制約了其應(yīng)用。
對(duì)石墨烯粉體材料來說,石墨烯片層的尺寸、結(jié)晶性等有待提高。在成本上,這兩種原料的價(jià)格目前都偏高。近年來,雖然制造成本下降了一些,但成本仍有壓縮空間,這取決于能否開發(fā)出更為經(jīng)濟(jì)、高效的石墨烯制備方法。
市場(chǎng)“虛火太旺”
《了望東方周刊》:當(dāng)前我國(guó)對(duì)石墨烯的研究現(xiàn)狀如何?
劉忠范:中國(guó)一直是碳材料研究大國(guó)。過去十年,我們對(duì)石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都已經(jīng)躋身世界前列,近年來在石墨烯領(lǐng)域發(fā)表論文和申請(qǐng)專*數(shù)量上都處于世界第一。
我們?cè)谌肆Α⑽锪Ψ矫娑季哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。其次,我們國(guó)家介入石墨烯研究領(lǐng)域的時(shí)間較早。但也必須看到,目前我們的研究還主要是