正在興起的石墨烯新時代：未來顯示材料

在當(dāng)今的中國與世界，關(guān)于石墨烯可能引發(fā)的材料革命乃至新技術(shù)革命討論非常熱烈。最近，我到北京、上海、廣州、深圳、江蘇、浙江、黑龍江、山東、陜西和中科院、清華大學(xué)等地方和研究機構(gòu)對石墨烯進行了調(diào)研。石墨烯具有非常大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，我們必須統(tǒng)籌規(guī)劃，精心布局，緊緊抓住石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化所帶來的重大發(fā)展機遇，努力掌握未來科技競爭的制高點。

正在興起的石墨烯材料新時代

石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右，卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波的研究開發(fā)浪潮。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，具有神奇的電子傳輸、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機械等特征。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，在實驗室成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應(yīng)用的全球研究熱潮。將石墨烯用于超級電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復(fù)合材料等方面的應(yīng)用前景，開辟了石墨烯材料的新時代。

正如有學(xué)者所言，19世紀(jì)是鐵器的時代，20世紀(jì)是硅的時代，21世紀(jì)是碳的時代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是構(gòu)成地球上一切生命體最重要的元素。碳材料的特性幾乎涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)。先進碳材料具有新型結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，是對未來發(fā)展具有重大和決定意義的新材料。

新材料產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點之一，也是未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，是我國成為世界制造業(yè)強國的重要基礎(chǔ)。石墨烯作為先進碳材料，它是當(dāng)今發(fā)現(xiàn)的世界上最優(yōu)質(zhì)的材料。它有以下特點：最薄，0.35nm，被稱為現(xiàn)今世界最薄的材料；比表面積最大，2620m2/g；最硬，剛度優(yōu)于金剛石，是人類已知強度最高的物質(zhì)，比鋼鐵硬100倍；最抗拉，可彈性拉伸20%；熱導(dǎo)率最高，5300W/m.k；最高遷移率200，000cm2/v.s@300k；高透光性，透光率為97.7%/單層；高載流能力：電流密度比銅高6個數(shù)量級；最奇特的是，石墨烯是二維量子材料，線性能帶色散關(guān)系，載流子有效質(zhì)量為零，能在溫室下觀察到量子霍爾效應(yīng)；還具有室溫彈道輸運特性。

石墨烯具有超薄、超輕、超高強度、超強導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性，幾乎完全透明，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)用非常廣泛，發(fā)展前景巨大，是推動戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵材料。

石墨烯具有無限廣闊的應(yīng)用前景，雖然現(xiàn)在還是潛在階段，普遍應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化還沒有打開局面，但是從科學(xué)預(yù)測的角度來看，已經(jīng)成為不可忽視的重點領(lǐng)域。比如，它可替代和解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端，可解決電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵難題，使新能源電動汽車蓬勃發(fā)展。再比如可以替代硅，制造未來新一代超級計算機；替代ITO透明導(dǎo)電薄膜，應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業(yè)領(lǐng)域；還可應(yīng)用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機、超薄折疊手機、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創(chuàng)造的需求，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。從全球發(fā)展趨勢來看，誰都不愿意喪失石墨烯發(fā)展帶來的重大機遇。

石墨烯是未來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點

近年來，特別是2007年后，無論是石墨烯研究、論文發(fā)表以及研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，在中國和世界都進入了快速增長期。論文和專利年增幅都超過70%，特別是2009年—2012年，國際專利申請量增幅100%以上，迄今為止全球發(fā)表論文已超過3.4萬篇，僅2013年就超過1萬篇。全球?qū)＠暾埑^4000件。值得一提的是，近幾年我國在石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的論文和專利申請，都居世界第一。截止到2012年底，我國共發(fā)表國際論文6308篇，美國排第二位，發(fā)表5709篇。我國論文引頻次數(shù)共90403次，而美國論文被引頻次數(shù)達132991次。我國申請專利1471件，美國申請專利1130件。說明我國在石墨烯領(lǐng)域的科技基礎(chǔ)積累、研發(fā)以及高技術(shù)發(fā)展方面已具有一定的實力。

石墨烯是世界高技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，引起世界各國的高度關(guān)注，尤其是在研發(fā)方面競爭激烈。2008年—2010年，歐盟發(fā)布了石墨烯基納米電子器件項目，并于2013年宣布將石墨烯列入“未來新興旗艦技術(shù)項目”，將在今后10年研發(fā)資助10億歐元，將石墨烯發(fā)展提升至戰(zhàn)略高度。英國政府也重視石墨烯研究，在曼徹斯特大學(xué)建立國家石墨烯研究所，推進石墨烯材料的商業(yè)化進程。2011年，英國政府在《促進增長的創(chuàng)新與發(fā)展戰(zhàn)略》中把石墨烯作為國家今后四個重點發(fā)展方向之一。投入5000萬英鎊支持石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究。同年，英國自然科學(xué)研究院委員會、英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會投入約1000萬英鎊，建立一個以新興技術(shù)探索和市場開發(fā)為核心的創(chuàng)新中心，致力于石墨烯技術(shù)的探索、開發(fā)及應(yīng)用。2012年底，英國政府又追加2150萬英鎊資助石墨烯的商業(yè)化探索研究。韓國政府投入研發(fā)費用14億美元，把石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來革新產(chǎn)業(yè)之一。2007年—2009年，韓國教育科學(xué)部門累計資助了90個相關(guān)項目，經(jīng)費1870萬美元。2012年—2018年，韓國原知識經(jīng)濟部預(yù)計將向石墨烯提供2.5億美元的資助，1.24億美元用于技術(shù)研發(fā)，其余用作商業(yè)化研究。2013年，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布在未來6年內(nèi)，投入4230萬美元，幫助企業(yè)實現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)商業(yè)化。2006年—2011年，美國國家自然科學(xué)基金（NSF）關(guān)于石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器應(yīng)用、石墨烯連續(xù)和大規(guī)模納米制造等項目。2008年，美國國防部高級研究計劃署（DARPA）投資2200萬美元研發(fā)超高速和低耗能的石墨烯晶體管。同時，至少有10多家公司在研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面取得了新的拓展。日本學(xué)術(shù)振興機構(gòu)（JST）從2007年起開始對石墨烯硅材料、器件的技術(shù)進行資助。德國于2009年由科學(xué)基金會（DFG）開展石墨烯新興前沿研究項目。

各國政府紛紛重視和關(guān)注石墨烯的同時，企業(yè)也敏銳地抓住時機，表現(xiàn)出對石墨烯的極大興趣，投入到石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的競爭中。美國在納米電子器件、高頻電子器件方面研發(fā)力度大，已研發(fā)出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，大大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，可廣泛用于石墨烯夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設(shè)備。加州大學(xué)伯克利分校研制出石墨調(diào)制器，可實現(xiàn)超快數(shù)據(jù)通訊。美國沃貝克材料公司推出導(dǎo)電油墨，性能好，價格低，并得到美國環(huán)保署批準(zhǔn)。美國輝銳科技公司研發(fā)并制造出大面積柔性觸控屏。IBM、三星公司重點研發(fā)在高速晶體管上的應(yīng)用。三星、諾基亞重點研發(fā)石墨烯在柔性顯示方面的應(yīng)用。美國卡博特公司、韓國浦項公司在石墨烯電容器、電池方面取得重要進展。韓國三星不久前宣稱將石墨烯成功應(yīng)用于觸摸平板顯示器，制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，可廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備。索尼公司成功合成大面積長120米、寬230米石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨額資金，化工醫(yī)藥巨頭拜耳、飛機發(fā)動機巨頭英國羅羅公司也加強了對石墨烯的研發(fā)，力圖迅速占領(lǐng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的制高點。

我國石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀及政策建議

我國石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，但發(fā)展較快，有潛在優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢。2013年7月13日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立。同時，江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中科院等機構(gòu)以多種形式協(xié)同創(chuàng)新，紛紛建立了產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，促進了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進程。2013年中科院重慶研究院研制出15英寸的單層石墨烯。2013年2月，無錫格菲電子薄膜科技公司研發(fā)出石墨烯電容式融屏手機。常州第六元素公司年產(chǎn)100噸粉體，寧波墨西科技公司年產(chǎn)300噸石墨烯粉體。2013年5月，常州二維碳素科技公司、無錫格菲電子薄膜科技公司、深圳合力光電傳感公司聯(lián)合江南石墨烯研究院在常州投產(chǎn)3萬平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線。常州二維碳素科技公司研究出手機電容式觸摸屏，鹽城納新天地科技有限公司2013年在鹽城建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)集群，率先研究成功單層石墨烯改性材料，并與南車集團合作用于高鐵。深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司、無錫和青島產(chǎn)業(yè)基地、中科院納米中心、中科院微系統(tǒng)所、清華大學(xué)、華東理工大學(xué)、北京化工大學(xué)等都在石墨烯研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化上做了大量的攻關(guān)，力求取得突破性的進展。

2010年，江蘇常州市委市政府決定投資5000萬，成立江南石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園，引進8個研發(fā)團隊，其中5個為海歸研發(fā)團隊，建了11個專業(yè)研究室和分析測試中心，培養(yǎng)了7家企業(yè)，市值達到20億元。2011年開始連續(xù)3年舉辦石墨烯發(fā)展高層論壇，努力建設(shè)產(chǎn)學(xué)研金一體化的石墨烯研究中心和新型創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集群，力爭成為國際化的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展先導(dǎo)區(qū)。

縱觀中國與世界，石墨烯產(chǎn)業(yè)化與材料革命正處于突破的前夜。雖然目前石墨烯的應(yīng)用還沒有大規(guī)模投入市場，也有風(fēng)險和不確定性，但未來的發(fā)展?jié)摿屯薮蟆Ｖ袊^不可以喪失這次發(fā)展機遇，同時也要防止走彎路，浪費資源、人力和物力。我們要審時度勢，制定科學(xué)正確理性的發(fā)展政策與措施。

一是抓住機遇，有所作為。目前我們與發(fā)達國家處于同一起跑階段，要抓住機遇，在推進產(chǎn)業(yè)化方面盡快有所作為。在世界石墨烯材料革命競爭中，率先創(chuàng)新，引領(lǐng)發(fā)展，實現(xiàn)由“跟跑者”向“領(lǐng)跑者”的跨越。

二是制定規(guī)劃，重點支持。建議有關(guān)方面認(rèn)真調(diào)研，制定石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)劃。在國家層面設(shè)立創(chuàng)新專項，給予重點支持，以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，推動跨越式發(fā)展。

三是防止利用石墨烯炒作。石墨烯可以代替石油，一旦突破將對我國產(chǎn)生巨大的效益，而且降低了石油在國際戰(zhàn)略中的地位，對增強我國能源戰(zhàn)略安全具有重大意義。但是，目前市場中已經(jīng)出現(xiàn)了利用投資者的預(yù)期在股市里炒作圈錢的行為，給投資者造成損失，也影響到石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對此需要予以重視并制定相應(yīng)的對策。

四是制定正確的技術(shù)路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。石墨烯發(fā)展很快，各方面都紛紛加入到研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化之中。但是，有些企業(yè)在發(fā)展石墨烯過程中缺乏科學(xué)方法和正確的技術(shù)路線，盲目發(fā)展者可能會走彎路，造成不必要的損失和混亂。建議有關(guān)部門組織制定國家石墨烯健康發(fā)展的技術(shù)政策。同時，要制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢，掌握石墨烯發(fā)展的話語權(quán)。

五是保護國家石墨烯戰(zhàn)略資源。我國是石墨資源大國，近些年大量原料以3000元/噸的價格出口國外，甚至被某些國家進口存入海底。有些企業(yè)將石墨資源浸泡式粗加工，以10000元/噸左右的價格出售，導(dǎo)致嚴(yán)重的資源利用浪費。建議政府部門采取有效的對策和措施，這么重要的戰(zhàn)略資源，千萬不能重蹈稀土的覆轍。