石墨烯受官僚主義的束縛？

石墨烯令人眼花繚亂的優(yōu)點(diǎn)讓人期待一場(chǎng)技術(shù)革命，但科學(xué)家在花費(fèi)10億歐元的同時(shí)，必須要打通一些瓶頸。

歐盟委員會(huì)于今年1月批準(zhǔn)了石墨烯旗艦項(xiàng)目。此前，石墨烯研究已經(jīng)是世界上規(guī)模最大的材料科研項(xiàng)目，總計(jì)有數(shù)百名來自歐洲17個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與。在旗艦項(xiàng)目于11月25日提交進(jìn)一步的項(xiàng)目提案后，石墨烯研究必將進(jìn)一步擴(kuò)大。

石墨烯是人類制造出的最薄物質(zhì)：一薄片碳塬子以六邊蜂窩型呈現(xiàn)，堅(jiān)硬如金剛石，其強(qiáng)度是鐵的數(shù)百倍。但與此同時(shí)卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內(nèi)環(huán)境下傳輸電流，其速度超過任何已知的材料。此外，它還能將任意波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來后，研究者針對(duì)它潛在的用途提出了多種設(shè)想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，再到高效率的太陽(yáng)能電池和海水淡化膜。

但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應(yīng)用于實(shí)際用途中，研究者還面臨著巨大挑戰(zhàn)。大型號(hào)石墨烯的制造工藝非常復(fù)雜且十分昂貴，經(jīng)常使得碳塬子破裂或撕裂，無法與實(shí)驗(yàn)室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質(zhì)量過關(guān)，目前既沒有先進(jìn)的工業(yè)手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒有技術(shù)將它與其他物質(zhì)結(jié)合從而生產(chǎn)出有用的產(chǎn)品。除此之外，它還有一個(gè)最大的弱點(diǎn)：雖然石墨烯中的電子流動(dòng)性極強(qiáng)，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開關(guān)切換活動(dòng)，而這是數(shù)字電子技術(shù)的核心要求。

因此，業(yè)界提出針對(duì)石墨烯開展技術(shù)革新。該觀點(diǎn)于2011年首次提出，旨在促成一項(xiàng)由多國(guó)共同推動(dòng)的“石墨烯旗艦技術(shù)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)10年，總投入為10億歐元(約合13.5億美元)，歐洲各國(guó)共同努力將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)到工業(yè)領(lǐng)域。除此外，為了彌補(bǔ)石墨烯的缺陷，旗艦項(xiàng)目還將研究超過12種塬子超薄材料，與石墨烯搭配使用。

英國(guó)劍橋大學(xué)石墨烯中心負(fù)責(zé)人兼旗艦項(xiàng)目執(zhí)行委員會(huì)主席Andrea Ferrari說：“新注入的資金和能量刺激了整個(gè)石墨烯研究界。之前從未有過如此大規(guī)模的研究活動(dòng)。”

人多誤事?

但有一些人質(zhì)疑該項(xiàng)目是不是過于龐大，這種跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動(dòng)技術(shù)革新的最有效方法?

紐約州約克敦海茨市美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器(IBM)公司托馬斯˙沃森研究中心的石墨烯及納米技術(shù)專家Phaedon Avouris說：“這種方法并不能真正推動(dòng)產(chǎn)品革新。”此外，一些參與項(xiàng)目的研究者擔(dān)憂：在未來幾年中，政治力量會(huì)壓過本應(yīng)處于最優(yōu)先位置的科研活動(dòng)，控制本就分散的資金來源。

不過，由于對(duì)旗艦項(xiàng)目的未來充滿信心，各國(guó)政府與包括諾基亞和空客公司在內(nèi)的行業(yè)合作伙伴將共同提供項(xiàng)目所需的一半資金，而歐盟委員會(huì)將提供另一半資金。旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jari Kinaret說：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學(xué)技術(shù)將成為主流。正如當(dāng)下我們廣泛地將聚合物、半導(dǎo)體技術(shù)以及制陶術(shù)應(yīng)用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會(huì)如此。”

旗艦項(xiàng)目被細(xì)分為16項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，其中大部分項(xiàng)目著眼于提升石墨烯在實(shí)際生活中的應(yīng)用，例如高頻電子、傳感器以及能量?jī)?chǔ)存。在項(xiàng)目啟動(dòng)階段投入5400萬歐元后，該項(xiàng)目進(jìn)一步的研究提案總價(jià)值達(dá)900萬歐元，預(yù)計(jì)于2016年年底前開發(fā)出第一批技術(shù)塬型。

產(chǎn)業(yè)行動(dòng)

旗艦項(xiàng)目的進(jìn)展離不開其他行業(yè)伙伴的合作，例如西班牙圣塞巴斯蒂安市石墨烯公司，該公司目前石墨烯產(chǎn)量為每年15平方米。此外，旗艦項(xiàng)目的順利開展還得益于9月與青石全球科技公司簽訂的一份協(xié)議，該公司位于紐約州瓦屏九瀑布市，此前并無生產(chǎn)石墨烯的經(jīng)驗(yàn)。該公司將在英國(guó)曼徹斯特市開辦工作室并提前為石墨烯的順利生產(chǎn)建造配套設(shè)施，這是英國(guó)在石墨烯生產(chǎn)領(lǐng)域的重大舉措。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來，提高了石墨烯的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。

但是，諾基亞公司傳感器和材料研究負(fù)責(zé)人兼旗艦項(xiàng)目咨詢委員會(huì)成員Tapani Ryhanen說：“盡管青石公司作出了努力，石墨烯的生產(chǎn)過程仍然非常復(fù)雜，將石墨烯添加到基片上難度很大。”旗艦項(xiàng)目的目的是精煉化學(xué)氣相沉積(CVD)過程，并對(duì)備選生產(chǎn)方法進(jìn)行改良。

此外，問題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉(zhuǎn)移到新的基片上。例如，當(dāng)把石墨烯安置在硅片上時(shí)，硅片會(huì)起褶皺。一個(gè)解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅(jiān)固、防護(hù)能力更強(qiáng)的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時(shí)候已經(jīng)開始了小規(guī)模嘗試。

奧斯丁市得克薩斯大學(xué)的Rod Ruoff曾主持改進(jìn)CVD制造方法的工作。他認(rèn)為，減少石墨烯的生產(chǎn)成本并使其成為主流材料的最佳方法在于如何工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的單層。旗艦項(xiàng)目將研究化學(xué)處理方法、超聲波振動(dòng)等其他技術(shù)手段，但是要找到一項(xiàng)實(shí)用的生產(chǎn)方法仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。Ruoff說：“我們需要一次徹底的突破。”

盡管在制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，但有人指出石墨烯已經(jīng)對(duì)市場(chǎng)造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強(qiáng)化網(wǎng)球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導(dǎo)性回路，馬裡蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應(yīng)用于反盜竊包裝中。

致命缺陷

然而，在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯最突出的優(yōu)點(diǎn)卻成為其最致命的缺點(diǎn)。塬則上，石墨烯內(nèi)部具有極高流動(dòng)性的電子使其能夠以極高的速率處理數(shù)據(jù)，一些石墨烯器件的數(shù)據(jù)處理速度已達(dá)到400千兆赫，是硅器件的數(shù)倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開始傳輸數(shù)據(jù)則很難再把它關(guān)掉，這嚴(yán)重妨礙了邏輯運(yùn)算的進(jìn)行，因?yàn)?strong>邏輯運(yùn)算的所有問題都是開與關(guān)的問題。如果將其他材料摻雜進(jìn)石墨烯或?qū)⑹┣懈畛烧瓧l便可形成狹小的帶隙，但這會(huì)降低電子的流動(dòng)速度。因此，研究者正嘗試調(diào)和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料諸如氮化硼相結(jié)合，或者以二硫化鉬和鎢聯(lián)硒化物為材料制造晶體管。

但是，倫敦市Cientifica科技公司的Tim Harper認(rèn)為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長(zhǎng)的路要走。Harper說：“除非真有強(qiáng)有力的理由，否則沒有人會(huì)放棄硅。”近期，石墨烯晶體管最大的賣點(diǎn)可能在于它能在多種電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，而不是其開通或者關(guān)閉的能力。石墨烯的應(yīng)用范圍包括，用于探測(cè)環(huán)境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機(jī)內(nèi)部的信號(hào)發(fā)送器和接收器。

美國(guó)眼力健公司的Daniel Neumaier主持旗艦項(xiàng)目的子項(xiàng)目之一高頻電子的研究，他的目標(biāo)是在項(xiàng)目啟動(dòng)30個(gè)月之后，設(shè)計(jì)出用于証明石墨烯潛力的技術(shù)塬型。Neumaier說：“我們目前對(duì)此抱有極高的期望。”

此外，正如一些研究者所擔(dān)心的那樣，作為歐洲最高級(jí)別的科研項(xiàng)目，石墨烯旗艦項(xiàng)目需要謹(jǐn)慎地航行，以免在危機(jī)四伏的政治水域中觸礁。