全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器

由中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟聯(lián)合泰州市人民政府主辦的中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化論壇12月8日在泰州舉行。在本次論壇上，中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)宣布成立。

聯(lián)盟秘書長李義春表示，由泰州石墨烯研究及檢測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)處理標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的日常工作。同日，石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)討論了石墨烯標(biāo)準(zhǔn)體系模型和工作路線圖，其正式標(biāo)準(zhǔn)文檔有望在近日發(fā)布，這將有利于我國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康有序地發(fā)展。

此外，論壇發(fā)布了全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器。該產(chǎn)品解決了石墨烯大規(guī)模低成本轉(zhuǎn)移以及石墨烯與光場(chǎng)強(qiáng)相互作用的關(guān)鍵技術(shù)問題。

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、太陽能電池、高強(qiáng)度外殼材料等領(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。

對(duì)石墨烯表現(xiàn)出興趣的還有美國軍方。2011年年末，位于馬里蘭州艾德菲(Adelphi)的美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S.ArmyResearchLaboratory)與波士頓的東北大學(xué)(NortheasternUniversity)簽署了一項(xiàng)研究石墨烯屬性的協(xié)議，資金主要來自美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，簡稱Darpa)30萬美元的撥款。

東北大學(xué)物理學(xué)教授斯里尼瓦斯·斯里達(dá)爾(SrinivasSridhar)說，該大學(xué)計(jì)劃用石墨烯設(shè)計(jì)更好的夜視鏡及其他探測(cè)器。Darpa的一位代表在電子郵件中證實(shí)了該項(xiàng)目。

今年夏天，通過參觀法拉利博士的實(shí)驗(yàn)室，記者初步了解到了石墨烯研究的情況。他的同事費(fèi)利切·托里西(FeliceTorrisi)展示了膠帶從一塊石墨上剝離石墨烯的過程。托里西博士說，“這種規(guī)模顯然不足以應(yīng)用于”工業(yè)用途。

這說明了石墨烯競賽中的一個(gè)重大目標(biāo)：尋找生產(chǎn)的最佳方法。大量專利申請(qǐng)都描述了制造石墨烯的方法。

接著托里西博士拿起一小瓶裝有石墨烯和水的墨水。旁邊的噴墨打印機(jī)滋滋作響，將墨水印在一片塑料薄片上，形成一個(gè)近乎不可見的電路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士輕擊鍵盤后附帶的電子儀器會(huì)發(fā)出音樂聲的關(guān)鍵。

在其他的劍橋?qū)嶒?yàn)室里，研究員們展示了一個(gè)石墨烯激光器的早期原型機(jī)，這款激光器可以發(fā)射出超速光脈沖和石墨烯傳感器，能夠探測(cè)到任何波長的光。

石墨烯的導(dǎo)熱屬性顯然是蘋果一項(xiàng)專利申請(qǐng)的核心。這項(xiàng)專利申請(qǐng)包括“可攜帶電子設(shè)備”元件背后的石墨烯“散熱器”的樣圖。蘋果發(fā)言人拒絕置評(píng)。

薩博希望利用石墨烯的輕薄和傳導(dǎo)性能，將其植入機(jī)翼用于除冰。薩博航空設(shè)備部門負(fù)責(zé)未來產(chǎn)品的馬茨·帕爾姆貝里(MatsPalmberg)說，這項(xiàng)研究還在初級(jí)階段，“但它肯定是我們推出飛行應(yīng)用計(jì)劃的一部分”。

洛克希德在新聞稿中說預(yù)計(jì)其石墨烯薄膜能夠“更有效地進(jìn)行海水淡化”，而成本只會(huì)是目前技術(shù)的很小一部分。

諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)吆Ｄ凡┦空f，石墨烯的發(fā)現(xiàn)還導(dǎo)致科學(xué)家開始研究其他大量擁有特殊屬性、具有二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。他說：“石墨烯打開了一個(gè)我們不知道的物質(zhì)世界。”

強(qiáng)激光材料研究員王俊揭秘石墨烯的光學(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(duì)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(duì)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(duì)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?cè)敢鉃榇硕弑M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(jí)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)⒁l(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(shì)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(shì)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(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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(duì)較小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。各國對(duì)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(qǐng)專利保護(hù)，另一方面也表明世界其他國家對(duì)我國石墨烯市場(chǎng)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)模化身材干旱、下游應(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(cè)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(píng)價(jià)、質(zhì)量檢測(cè)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。

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(duì)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(duì)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(chǎng)。”

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(chǎng)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(chǎng)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(duì)此感觸很深，他用“太狂熱了”來形容。