劉忠范談中國(guó)石墨烯研究進(jìn)展及趨勢(shì)

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(wàn)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(lái)，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(guò)，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(lèi)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(wàn)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�？梢哉f(shuō)它的出現(xiàn)刷新了人類(lèi)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(kāi)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(jiàn)的。

《了望東方周刊》：石墨烯具體可以用來(lái)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�用的電子設(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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)渡。比如常州、無(wú)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(wú)錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》。

如果問(wèn)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(wèn)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(lái)說(shuō)，石墨烯的導(dǎo)電性、轉(zhuǎn)移過(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)，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(kāi)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(guò)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(lái)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�、物力方面都具有極大的優(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