2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。
石墨烯用途非常廣泛，是一種被科學(xué)家寄于厚望的新型材料。在制造業(yè)，它不僅被運(yùn)用在半導(dǎo)體芯片、光子傳感器、太陽能電池、柔性觸摸屏等領(lǐng)域，而且在光學(xué)方面上，石墨烯也有相當(dāng)大的用途。
近日據(jù)國外媒報(bào)道，來自國外的部分研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，石墨烯這種材料擁有難以置信的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉(zhuǎn)化為波長更短、頻率更高的激光，持續(xù)時(shí)間為幾飛秒�？茖W(xué)家們表示，利用這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，未來他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射武器（石墨烯超耐高溫）。
當(dāng)然，這個(gè)發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實(shí)驗(yàn)室，如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。
6月21日，在香港舉行的“石墨烯時(shí)代21世紀(jì)的奇跡材料”產(chǎn)業(yè)化全球高端論壇上，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫爵士以一場妙趣橫生的講演，將聽眾帶入一個(gè)玄妙神奇的科技世界，令人對未來美好生活充滿遐想。
揭秘石墨烯的光學(xué)特性
在中科院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王俊眼里，自己一直從事的、被稱為光學(xué)材料領(lǐng)域國際最前沿的科研領(lǐng)域里，“最新”和“前沿”不是緊盯的重點(diǎn)，王俊看重的，是石墨烯和碳納米管光子學(xué)研究中的“問題”。
“通過研究使還未得到解答的問題真正得以解決，是科研創(chuàng)新最大的意義。”王俊說，“這也是我們課題組一直秉承的信念。”
在石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域，王俊首次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了石墨烯的寬帶非線性光學(xué)特性。2009年，當(dāng)時(shí)針對石墨烯光學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究只有一篇后來獲諾貝爾獎(jiǎng)的Geim教授和Novoselov教授小組發(fā)表于Science的論文，而非線性光學(xué)性質(zhì)研究還處于空白的狀況，王俊認(rèn)為，其應(yīng)用價(jià)值并未引起足夠重視。于是，王俊開始解決發(fā)現(xiàn)的這一“問題”。他對此的研究成果第一次從實(shí)驗(yàn)上揭示了石墨烯優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)，開創(chuàng)了石墨烯光子學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用研究的先河，為研究石墨烯及其衍生材料的非線性光學(xué)性質(zhì)、以及開發(fā)石墨烯光子學(xué)器件提供了準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論解釋。王俊的研究被業(yè)內(nèi)稱贊為石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域具有開拓性的工作之一。
如果只是去做別人沒做過的東西，王俊覺得不足以構(gòu)成真正意義上的科研創(chuàng)新。他認(rèn)為，創(chuàng)新更重要的是能夠通過研究解決一些重要問題。而這些問題往往是某領(lǐng)域研究通向應(yīng)用的一個(gè)瓶頸，這才具有重要的創(chuàng)新意義。
王俊在石墨烯光子學(xué)領(lǐng)域的研究如此，在激光防護(hù)光子學(xué)領(lǐng)域的研究也是如此。
王俊深入地研究了一系列光功能材料的激光防護(hù)限幅應(yīng)用，深入揭示了單壁碳納米管的非線性散射致光限幅效應(yīng)。王俊的系統(tǒng)研究，進(jìn)一步揭示了碳納米管光限幅效應(yīng)的物理本源，以此提出了從根本上提高其非線性消光性能的解決方案，為基于碳納米管及其衍生功能材料的激光防護(hù)限幅器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)，以及隨后石墨烯非線性光學(xué)的研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。這些研究成果，對除碳納米材料外其他具有光散射致非線性消光效應(yīng)的納米材料，如金、銀、合金納米結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)等，都有重要的參考價(jià)值。
王俊說：“科研人員在創(chuàng)新研究中，不僅要發(fā)現(xiàn)問題，更要解決問題，并把結(jié)果公布出來，為大家服務(wù)，我覺得這個(gè)才是做科研的核心創(chuàng)新理念。”
王俊的話語和王俊的履歷，讓很多人想不到他其實(shí)只是一個(gè)“80后”。1979年11月出生的王俊，目前已經(jīng)是中科院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、博士生導(dǎo)師、兼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任助理，負(fù)責(zé)微納光功能材料學(xué)科建設(shè)。2010年12月，王俊由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所以“百人計(jì)劃”引進(jìn)，2011年4月順利通過擇優(yōu)支持。如今，王俊已成為國家首批“青年拔尖人才”、上海市“浦江人才”、上海市嘉定區(qū)“青年領(lǐng)軍人才”。今年2月，又擔(dān)任了上海市激光學(xué)會(huì)青年委員會(huì)主任。
在被追問到為何樂此不倦地沉浸于科研中時(shí)，王俊會(huì)“少年老成”地表示：“這個(gè)領(lǐng)域‘問題’太多，有時(shí)候也會(huì)力有不逮。但我們愿意為此而竭盡全力，因?yàn)槲曳浅５叵矚g這個(gè)領(lǐng)域，喜歡這些‘問題’。”
石墨烯產(chǎn)業(yè)有望形成萬億產(chǎn)值
石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。
為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學(xué)、中科院金屬研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。
作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它是目前人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。
分析認(rèn)為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度快數(shù)百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動(dòng)超級電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴(kuò)充5倍以上的容量。此外，石墨烯因超強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換能力，可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。
作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在激光、半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、光器件、航天、軍工、LED、觸控屏等領(lǐng)域都將帶來一次材料革命。由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億以上。
中國產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯
中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的條件。數(shù)據(jù)顯示，我國石墨礦儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。
論壇上，各科研單位專家和企業(yè)代表認(rèn)為，石墨烯在我國的應(yīng)用前景十分廣闊，現(xiàn)在行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期。但從實(shí)際情況來看，成本和工藝問題的存在使得石墨烯短期內(nèi)無法形成真正的商業(yè)規(guī)模，在應(yīng)用領(lǐng)域來看，鋰電池和環(huán)保涂層材料有望是國內(nèi)石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域未來的一大突破口。
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機(jī)械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。
中科院寧波材料所石墨烯研究團(tuán)隊(duì)研究員周旭峰表示，目前國內(nèi)對石墨烯的應(yīng)用前景頗為看好，多個(gè)領(lǐng)域都準(zhǔn)備躍躍欲試。但從實(shí)際情況來看，制造工藝不穩(wěn)定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問題，從制造工藝來看，目前業(yè)內(nèi)的四種方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。周旭峰認(rèn)為，由于產(chǎn)業(yè)鏈相對較短，環(huán)保和儲(chǔ)能領(lǐng)域有望成為率先實(shí)現(xiàn)石墨烯商用。
在相關(guān)政策扶持方面，工信部原材料司副司長高云虎表示，在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景也并不明朗，因此在規(guī)劃文本、產(chǎn)品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點(diǎn)，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的突破，下一步會(huì)統(tǒng)籌研究并予以考慮。
產(chǎn)業(yè)化難題待破
業(yè)內(nèi)專家指出，石墨烯目前整體主要還處在研發(fā)階段，制備石墨烯的技術(shù)工藝還不太成熟，而且成品面積相對較小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。各國對于這個(gè)新興材料還處于一個(gè)專利布局期，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也還沒有形成。我國在石墨烯基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)十分突出。
有關(guān)研究顯示，截至2012年底，我國發(fā)表的石墨烯論文數(shù)量已經(jīng)超過美國，名列世界首位，而且部分團(tuán)隊(duì)的研究成果受到了世界各國的高度重視，被引用達(dá)數(shù)千次之多。飛速發(fā)展的還有我國的石墨烯專利數(shù)量，無論從專利受理數(shù)量，還是優(yōu)先權(quán)專利數(shù)量來看，我國都是僅次于美國的世界第二大國。這意味著，一方面我國企業(yè)高度重視石墨烯技術(shù)開發(fā)并積極申請專利保護(hù)，另一方面也表明世界其他國家對我國石墨烯市場相當(dāng)關(guān)注。
然而，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路上存在諸多現(xiàn)實(shí)問題，一方面尚未具備規(guī)�；a(chǎn)能力，產(chǎn)品成本高；另一方面石墨烯還未真正形成下游的應(yīng)用和需求。因此現(xiàn)在既要盡可能降低成本實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)，又要盡快在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)突破。目前進(jìn)行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數(shù)中小企業(yè)，研究力量比較分散，要盡快實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，必須通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發(fā)、規(guī)�；聿母珊怠⑾掠螒�(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的技術(shù)路線和公共科技服務(wù)平臺(tái)和測試平臺(tái)，通過全行業(yè)的共同努力，共同突破關(guān)鍵的技術(shù)難題以及在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平。
石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組建宗旨是為了整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源；以推進(jìn)低成本石墨烯及裝備的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等資源共享機(jī)制；建立與政府溝通的渠道及人才培養(yǎng)、國際合作的平臺(tái)；推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、評價(jià)、質(zhì)量檢測體系的建立，促進(jìn)成員單位的自身發(fā)展，提升低成本石墨烯的整體競爭力，從而達(dá)到推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的。
石墨烯作為ITO導(dǎo)電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業(yè)高度關(guān)注。石墨烯技術(shù)可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機(jī)等智能終端的產(chǎn)業(yè)鏈太長，產(chǎn)品的成形需要電路板、機(jī)身材料等整個(gè)供應(yīng)鏈的配合。理論上講這些東西在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但要商用還需要一定的時(shí)間，不僅因?yàn)槌杀倦x譜，良率問題也很不樂觀。業(yè)內(nèi)人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發(fā)資源，原計(jì)劃在今年要推出一款類似的概念。(中國行業(yè)研究網(wǎng))
石墨烯離產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)？
“一年之前，我不敢說我的單層石墨烯已經(jīng)規(guī)�；a(chǎn)，但現(xiàn)在敢說了。”上海交通大學(xué)郭守武教授在臺(tái)下對記者如是說。
就在之前半小時(shí)，郭教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)成果在臺(tái)上展示PPT時(shí)，受到了臺(tái)下企業(yè)界的追問，“我要5公斤，你能給我嗎？”“簽了合同，幾天就能給你。”“價(jià)格多少？”“我成本是0.5元/克，但這是郭老師幾年心血，他肯定不會(huì)以這個(gè)價(jià)賣給你。”
在國際上，單層石墨烯售價(jià)是2000元/克。
同樣是石墨烯制備者，中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問，“你9塊錢太貴了，你能做到1元/克嗎？”“當(dāng)然可以。”“一兩毛錢呢？”“這是商業(yè)秘密。”
劉兆平團(tuán)隊(duì)多層石墨烯(比單層制備更容易，成本更低)技術(shù)已經(jīng)賣給了華南家族控股股東南江集團(tuán)的兄弟單位。據(jù)悉，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目預(yù)計(jì)于11月投產(chǎn)，是全球首條30噸石墨烯生產(chǎn)線。
對于該項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化前景，劉兆平稱“關(guān)鍵看下游。”
中科院金屬所與金路集團(tuán)簽訂了技術(shù)合作協(xié)議。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人任文才告訴記者，去年該項(xiàng)目已經(jīng)完成了中試，隨時(shí)可以工業(yè)化，“關(guān)鍵看下游市場。”
石墨烯下游應(yīng)用廣泛，如鋰電池、涂料、LED等。下游應(yīng)用市場若沒有成熟，制備就難以量產(chǎn)。一家深圳公司2010年就開始賣石墨烯，但苦于應(yīng)用市場沒有起來，銷量一直做不起來。
不過，石墨烯下游應(yīng)用在部分領(lǐng)域可能率先突破。南京科孚納米技術(shù)有限公司蕭小月總經(jīng)理透露，一位做散熱復(fù)合材料的海外客戶已經(jīng)提出計(jì)劃，希望逐月實(shí)現(xiàn)每月四噸的供貨需求。
劉兆平認(rèn)為，鋰電池、LED將有望成為國內(nèi)最先利用石墨烯的下游行業(yè)。
不過，北京一企業(yè)試用了多家科研單位試驗(yàn)室石墨烯產(chǎn)品，他認(rèn)為，上游石墨烯品質(zhì)并不穩(wěn)定。
石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈雖然沒有成熟，但投資熱潮已經(jīng)顯現(xiàn)，劉兆平作為較早掌握該技術(shù)的科研人員對此感觸很深，他用“太狂熱了”來形容。
相關(guān)背景 石墨烯最新研究進(jìn)展
深紫外激光PEEM系統(tǒng)在石墨烯表面研究
去年年底，大連物化所納米與界面催化研究組（502組）與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組合作，利用本組新近研制的深紫外激光光電子發(fā)射顯微鏡（DUV-PEEM）和像差矯正低能電子顯微鏡（AC-LEEM）系統(tǒng)對調(diào)制攙雜制備的具有“馬賽克”結(jié)構(gòu)石墨烯進(jìn)行表面形貌和表面功函數(shù)研究，證實(shí)了利用化學(xué)氣相沉積法成功地實(shí)現(xiàn)了本征石墨烯區(qū)域和氮攙雜石墨烯區(qū)域的可控生長。
石墨烯在光電技術(shù)等領(lǐng)域有潛在的重要應(yīng)用，而構(gòu)建P-N結(jié)是實(shí)現(xiàn)許多光電器件應(yīng)用的核心，因此構(gòu)建石墨烯的光電功能器件必須在保證石墨烯質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)高可控性和均一性的穩(wěn)定摻雜。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組根據(jù)材料生長中調(diào)制摻雜的原理，提出了具有高遷移率、摻雜區(qū)域可控的石墨烯的調(diào)制摻雜生長方法，實(shí)現(xiàn)了“馬賽克”結(jié)構(gòu)的石墨烯P-N結(jié)材料的規(guī)模制備，并將其用于高性能光電轉(zhuǎn)換器件。
由于對石墨烯進(jìn)行氮攙雜能夠有效降低表面功函數(shù)，其與本征石墨烯區(qū)域在PEEM成像中具有較大的襯度差異，因此PEEM可以作為一個(gè)有效的表面研究方法表征具有此類結(jié)構(gòu)的石墨烯表面。
大連物化所納米與界面催化研究組前期已經(jīng)利用深紫外激光PEEM系統(tǒng)在石墨烯的表面化學(xué)（Angew Chem Int Ed， 2012， 51， 4856； DOI： 10.1002/anie.201200413）和石墨烯表面結(jié)構(gòu)（Nature Commun， 2012，3： 699； doi： 10.1038/ncomms1702）等研究方面取得系列進(jìn)展。這次與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組合作并有效地開展了石墨烯表面電子結(jié)構(gòu)的研究。這些工作表明PEEM在固體表面的物理化學(xué)研究中將能夠發(fā)揮重要作用。
激光照射制造出超強(qiáng)功能的石墨烯電容器
近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分�？茖W(xué)家Maher El-Kady領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實(shí)現(xiàn)了一個(gè)突破，用簡單的激光通用設(shè)備制造出超強(qiáng)功能的石墨烯電容器。
研究人員先是精心制作了兩張氧化石墨薄膜，然后將它們分別放入普通DVD驅(qū)動(dòng)器中，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器激光照射后，它們被還原成了兩張石墨烯薄膜。這兩張石墨烯薄膜的導(dǎo)電性能很強(qiáng)（1738西門子/米），單位重量表面積很大（1520平方米/克），并且強(qiáng)度高、柔韌性好。將它們放入電解液中（多種電解液都適用），它們本身即成為電容器的兩極而被充電，在幾秒鐘的時(shí)間里存儲(chǔ)了超過普通手電用電池的電能。這種電容器重量輕、儲(chǔ)電量大、充電時(shí)間短、反復(fù)充放電1萬次不影響性能并且即使在高壓強(qiáng)下也能穩(wěn)定放電，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前任何電化學(xué)電容器。
有專家評論說，如能將制造薄膜的成本降下來，石墨烯電容器和充電電池必將創(chuàng)造人類新的未來。
免責(zé)聲明：本網(wǎng)站信息文章來源于互聯(lián)網(wǎng)、期刊雜志或由作者提供，其內(nèi)容并不代表本網(wǎng)觀點(diǎn)，僅供參考學(xué)習(xí)所用。如遇有侵犯您的版權(quán)或其他有損您利益的行為，我們會(huì)立即進(jìn)行改正并刪除相關(guān)內(nèi)容。
