全球最大石墨烯項(xiàng)目落戶重慶：未來顯示屏

近日，筆者從重慶市人民政府網(wǎng)站了解到，全球規(guī)模最大石墨烯項(xiàng)目正式落戶重慶高新區(qū)。

根據(jù)消息，近日，重慶墨希科技有限公司正式在重慶高新區(qū)注冊成立，注冊資本20000萬元，標(biāo)志著中科院與上海南江集團(tuán)合作投資5億元的大面積單層石墨烯薄膜生產(chǎn)線項(xiàng)目正式落戶重慶高新區(qū)金鳳電子信息產(chǎn)業(yè)園。

石墨烯是未來超級(jí)計(jì)算機(jī)、筆記本電腦及手機(jī)等設(shè)備顯示屏的生產(chǎn)材料。大面積單層石墨烯薄膜生產(chǎn)線項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1000萬片生產(chǎn)能力，此項(xiàng)目將成功填補(bǔ)國內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春在接受京華時(shí)報(bào)記者采訪時(shí)表示，南江集團(tuán)早就對(duì)石墨烯進(jìn)行布局。此外，地方政府對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)也日益重視，聯(lián)盟在全國幾個(gè)地方建立了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地。而且近期石墨烯產(chǎn)業(yè)也不斷有一些應(yīng)用上的突破成果出來。

公開資料顯示，南江集團(tuán)旗下?lián)碛猩虾Ｐ旅放c華麗家族的股權(quán)，并與樂通股份展開石墨烯研發(fā)方面的深度合作。

石墨烯：改變世界的神奇材料？

2010年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，兩位最早發(fā)現(xiàn)并揭示石墨烯獨(dú)特性質(zhì)的科學(xué)家獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯從此進(jìn)入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的新星。

石墨烯不是一種天然存在的材料。人們常見的石墨是由可以機(jī)械剝離的石墨片組成。由于石墨片層與層之間作用力較弱，當(dāng)石墨被剝離至單層，僅有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。

在材料大家族中，石墨烯只是個(gè)晚輩。2004年，海姆和諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開膠帶，石墨片就被減薄，一分為二。如此反復(fù)操作，薄片越來越薄，最終在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了石墨烯。人們發(fā)現(xiàn)，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨(dú)特性質(zhì)刺激了全球研究者的神經(jīng)，更有人將其稱之為“改變21世紀(jì)的材料”。

性能超強(qiáng)

石墨烯具有非凡的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極佳的透光特性

石墨烯具有完美的二維平面結(jié)構(gòu)，它蘊(yùn)含的豐富而新奇物理現(xiàn)象的奧秘就來源于此。

石墨烯擁有完美的對(duì)稱正六邊形結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定，而且各個(gè)碳原子之間的連接很柔韌，即使受到外力沖擊，也可以通過彎曲變形來維持穩(wěn)定。

這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)使石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優(yōu)質(zhì)品質(zhì)。據(jù)測試，它是迄今為止自然界中最強(qiáng)的二維材料，強(qiáng)度通常為普通鋼材料的數(shù)十倍。有人曾測算，一塊1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的貓，而該吊床的重量僅為0.77毫克，比貓的腮須還輕，肉眼根本看不到。

最讓科學(xué)界矚目的，是它超強(qiáng)的導(dǎo)電性能。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒介紹，石墨烯具有獨(dú)特的線性電子能帶結(jié)構(gòu)，其傳導(dǎo)電子是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)幾乎沒有阻力，遷移速度極快，是世上已知的電阻率最小的材料。因?yàn)檫@一特點(diǎn)，石墨烯被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

石墨烯還有優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱性和透光性。它的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管和金剛石，且?guī)缀跬耆该?，只吸?.3%的光。透明、良好的導(dǎo)電特性，使它極適合制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

應(yīng)用廣闊

在電子、航天軍工、新能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，有望引發(fā)現(xiàn)代電子科技新革命

石墨烯“出道”雖短，但其高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、極輕薄等優(yōu)勢，使產(chǎn)業(yè)界迅速嗅到了其在電子、航天軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域可能的應(yīng)用潛力。

目前的電子器件工業(yè)中，硅是主流的材料，而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中國科學(xué)院物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士高鴻鈞表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，成為國際上的研究熱點(diǎn)和競爭焦點(diǎn)。

韓國三星公司是石墨烯研究的最大投資者之一。2010年，韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個(gè)63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機(jī)大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。這是石墨烯在柔性電子應(yīng)用上的首次成功嘗試。

高鴻鈞說，三星公司的成果展示了石墨烯在未來柔性電子上廣泛應(yīng)用的可能性，很大程度上影響了當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬。

在能源領(lǐng)域，石墨烯有望在超級(jí)電容器和鋰離子電池發(fā)展上一展抱負(fù)。超級(jí)電容器是一個(gè)高效存儲(chǔ)和傳遞能量的體系，而石墨烯擁有大的比表面積、規(guī)范的多孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，使其成為最有潛力的電極材料。據(jù)悉，美國科學(xué)家在今年上半年研發(fā)出一種以石墨烯技術(shù)為基礎(chǔ)的“超級(jí)電容器”，其充電速率遠(yuǎn)高于普通電池，一部iPhone手機(jī)充滿電僅需5秒鐘。而用石墨烯制備的鋰離子電池，在增加電極儲(chǔ)能的同時(shí)，可以減少鋰離子的擴(kuò)散距離，提高鋰電池的充放電效率和穩(wěn)定性。

石墨烯在食品加工等生物領(lǐng)域也有用武之地?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損，人們可以利用這一特點(diǎn)做繃帶、食品包裝等。

產(chǎn)業(yè)瓶頸

如何大規(guī)模制備高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯是產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問題

盡管科學(xué)界的石墨烯研究迅速推進(jìn)，也吸引了投資和關(guān)注，但研究者對(duì)其產(chǎn)業(yè)化仍持謹(jǐn)慎態(tài)度。

譚平恒說，有關(guān)石墨烯的眾多應(yīng)用研究目前多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，它的神奇性能能否完全在應(yīng)用上顯現(xiàn)，還需科學(xué)家進(jìn)一步分析和測試。

產(chǎn)業(yè)界多數(shù)企業(yè)還處于嘗試性探索階段。一個(gè)重要瓶頸是，產(chǎn)業(yè)化所需的高質(zhì)量、大尺寸、低成本的石墨烯制備方式并不成熟。

諾獎(jiǎng)獲得者海姆和諾沃肖洛夫得到石墨烯的方式，被稱之為微機(jī)械剝離法，這一方式至今仍是實(shí)驗(yàn)室獲取石墨烯進(jìn)行基礎(chǔ)研究的重要手段。譚平恒說，該方法得到的石墨烯質(zhì)量高，但尺寸較小，且極費(fèi)人工、成本很高。在石墨烯研究初期，微機(jī)械剝離制備的1平方微米石墨烯的價(jià)格甚至達(dá)到一歐元左右。

其它方法，如化學(xué)氣相沉積法，雖然可以制備出大面積的石墨烯，但質(zhì)量仍有待提高，且工藝較為復(fù)雜；溶劑剝離法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的大批量制備，但含有較多的缺陷。

2009年，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在金屬釕單晶表面獲得高質(zhì)量大面積的單晶石墨烯材料，取得了制備法的重大突破。但高鴻鈞認(rèn)為，石墨烯并不能取代硅，在某些方面，或許可以取代硅的部分功能。他說，硅材料發(fā)展已有數(shù)十年歷史，應(yīng)用成熟，不是一個(gè)新材料在短時(shí)間內(nèi)可以替代或超越的。

譚平恒說，上世紀(jì)90年代，碳納米管憑借其優(yōu)異的光電性能，成為碳納米材料家族的明星，正是因?yàn)槠湟?guī)?；I(yè)應(yīng)用的困難，一直沒能達(dá)到人們的期望。

在石墨烯的某些應(yīng)用中，需要將其轉(zhuǎn)移到合適的襯底上，而與襯底的相互作用可能會(huì)造成石墨烯性能的部分改變。

“石墨烯要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，不僅要解決如何制備出高質(zhì)量和大面積的材料，還需要解決石墨烯在器件集成方面的一些關(guān)鍵問題。”譚平恒說，當(dāng)前兩者均沒有得到很好的解決。