石墨烯的应用开发与广阔前景
国家主席习近平今年访英期间，参观了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院，他肯定该院在石墨烯领域的研究实力和国际影响力，并指出，在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下，新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导，对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。中国是石墨资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。中英在石墨烯研究领域完全可以实现“强强联合”，双方受益。 一、什么是“石墨烯” 石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。它是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚・诺沃谢夫和安德烈・盖姆小组首先发现的。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 二、石墨烯的应用与前景 石墨烯作为21世纪最具应用前景的发明之一，对于它的一系列发明创造，不仅为其商业化拓宽了渠道，也令这一概念在资本市场持续保持着相当的“温度”。 石墨烯主要应用领域包括电子、生物医疗、军工、精密制造业、化工业。有专家表示，石墨烯在电子器件、光学器件、柔性电子、轻型功能部件、先进电池等领域具有重要应用前景，并有望对电子信息等多个产业产生重大影响。欧洲正是意识到石墨烯的战略重要性，才着力推进石墨烯的商业化进程。 从石墨烯的应用前景来看，采用石墨烯技术新产品的例子包括高速、柔性、牢固的电子消费品，更轻、更节能的飞机。从更长远的角度来看，预计石墨烯将引起新的计算技术范式和人造视网膜这样的革命性医学应用。据研究人员预计，首个石墨烯触摸屏设备将在3-5年内上市。鉴于采用石墨烯制成的触摸屏设备持久耐用，这将开启柔性电子的新途径，即可卷曲的电子纸是另一项应用，可在2015年研发出样品。 三、石墨烯中国力量正在崛起 据波士顿的Lux研究公司报道，中国已经在碳纳米管和石墨烯的研究制造中处于全球领先地位。Lux预测全球石墨烯的plaflet和碳纳米管市场需求在2018年时分别为1520吨和2016吨。然而，仅中国的供应量就足以供应直到2016年的全球石墨烯nanoplatlet需求；Lux认为，随着石墨烯和碳纳米管nanoplatlets的产能增加，以及产能利用率的提高，未来其价格将继续下降，同时会挤压纳米材料的利润率。 中国已经成为全球石墨烯的出版物领先者，专利数量居全球第二名；其碳纳米管制造可能占到了全球的50%。另根据Lux的观察，虽然石墨烯的工艺和制造技术仍显落后，但是中国正在迅速追赶，主要体现在快速的增长率。 中国在石墨烯制造方面有一个亮点，是Sixth Element与宁波的Morsh，其在石墨烯的nanopetlets制造方面，已经具备超过美国的能力。 据Lux数据，2014年中国国内的石墨烯和碳纳米管市场分别达到2240万美元和4840万美元，主要驱动力来自锂离子电池和新的应用，如涂料和热耗散材料等。 中国在石墨烯薄膜和石墨烯微片这两个方向上也在进行积极探索。石墨烯触摸屏的研发方面，常州二维碳素科技公司的研发团队已突破了石墨烯薄膜应用于中小尺寸手机的触摸工艺，实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接。 10月23日，中国华为宣布与曼彻斯特大学进行共同开发ICT领域的下一代高性能技术的合作研究，该项目合作期初定为两年，研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。 10月27日，四川省巴中市在位于川陕交界的南江县上两庙坪发现新的高品位石墨矿点，初步测算南江石墨矿物量在1000万吨以上。 2015中国国际石墨烯创新大会于10月28日至30日召开。由诺贝尔奖得主安德烈-盖姆领衔的多位专家，就石墨烯在环保、锂电池、可穿戴等领域的应用前景展开了深入探讨。 资料显示，截至目前，中国石墨烯企业已超过100家，已居全球领先地位。此次大会的召开，提升了社会各界对石墨烯及其应用的认识。目前，产业发展势头良好，技术不断突破、军用民用领域迅速拓展，石墨烯产业化提速明显。 石墨烯可预见的发展空间全球大约1000亿美元，国内400亿元，一旦产业化应用技术进一步突破，未来无可限量。