假如用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床,其重量不足1毫克,卻能承載一只1千克的貓——自2010年兩位科學(xué)家因石墨烯研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎以來,這種神奇的材料可謂名聲大噪。
記者從日前由上海市中國工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動中心主辦的“石墨烯的今天與明天”院士沙龍上獲悉,上游石墨烯的制備技術(shù)已能滿足當(dāng)前很多方向明確的應(yīng)用需求,只要打通中間環(huán)節(jié),石墨烯走進(jìn)生活指日可待。
上海石墨烯基礎(chǔ)研究與世界并駕齊驅(qū)
石墨烯由碳原子構(gòu)成,斷裂強(qiáng)度是目前最好的鋼材的200倍,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%,1毫米厚度就能包含大約300萬層石墨烯。華為總裁任正非曾說:“這個時(shí)代將來最大的顛覆,是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代?!?/p>
上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長楊俊和透露,目前全球已有80多個國家投入石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,美、英、日、韓等發(fā)達(dá)國家都把研發(fā)石墨烯作為國家戰(zhàn)略。
石墨烯的第一個專利出現(xiàn)在1994年,自其發(fā)現(xiàn)者2010年獲得諾貝爾獎后,全球的專利申請量呈井噴式爆發(fā)———截至2016年,世界石墨烯專利申請量已達(dá)9022件,其中來自中國的申請占了58%。據(jù)統(tǒng)計(jì),圍繞石墨烯,上海擁有1600項(xiàng)專利,幾乎涵蓋了目前國際上開展的所有石墨烯研究方向。
最初提取石墨烯是用膠帶從鉛筆芯的石墨中“粘”出來的,如此原始的手工制備方法無法適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn),因此如何獲得又薄又純的石墨烯一直困擾著工業(yè)界。目前上海在石墨烯的兩大制備技術(shù)———液相剝離法和氧化還原法上,均取得了進(jìn)展,已能滿足當(dāng)下應(yīng)用水平的需要。
下游企業(yè)早已對用上這種只有一層原子厚度的二維晶體躍躍欲試,比如代替硅材料,成為下一代超級計(jì)算機(jī)的元器件,或者利用它的透明性,在顯示屏、太陽能發(fā)電板上大規(guī)模應(yīng)用,還能在生物、健康、環(huán)保等諸多領(lǐng)域大顯身手。
跨越從樣品到產(chǎn)品的“鴻溝”
既然上有來源,下有需求,為何還未看到石墨烯大規(guī)模應(yīng)用呢?楊俊和說:“因?yàn)閺臉悠返疆a(chǎn)品之間還有一道鴻溝。”
科學(xué)家只要在千萬次試驗(yàn)中找到一個性能優(yōu)異的樣品就行,而產(chǎn)業(yè)界則追求每個產(chǎn)品都合格達(dá)標(biāo)。作為科創(chuàng)中心建設(shè)首批規(guī)劃的18個研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺,一年前成立的上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺,正是為了打通石墨烯從樣品到產(chǎn)品的“最后一公里”。
楊俊和團(tuán)隊(duì)的石墨烯防腐涂料是最早入駐平臺的三條中試線之一,在這里他的產(chǎn)品要跑完從克級到噸級的試驗(yàn)。
“首先要解決的是石墨烯均勻分散問題。”上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺董事長孟巖說。在實(shí)驗(yàn)室里這個幾乎一根攪拌棒就能解決的問題,當(dāng)放大到千克級乃至噸級規(guī)模時(shí),就成了需要融合溫度、壓力、超聲等一系列工藝技術(shù)的復(fù)雜問題。研究人員必須不斷摸索每種狀態(tài)下化學(xué)原料的“脾氣”,還要配合相應(yīng)設(shè)備,才能讓石墨烯均勻分散在基材中。
不久前,三條中試線均獲得成功。接下來,由上海華誼集團(tuán)出資,楊俊和團(tuán)隊(duì)的100噸石墨烯防腐材料試驗(yàn)將于下半年動工,明年投產(chǎn),產(chǎn)能預(yù)計(jì)可達(dá)3.5萬噸。投產(chǎn)后,將極大滿足我國防腐涂料產(chǎn)業(yè)從油性升級為水性的產(chǎn)品缺口,應(yīng)用前景廣闊。
共性技術(shù)為上海石墨烯產(chǎn)業(yè)提速
被譽(yù)為“石墨烯之父”的英國曼徹斯特大學(xué)教授康斯坦丁·諾沃肖洛夫去年來滬時(shí)曾表示,英國僅用六年,就從最基礎(chǔ)的原創(chuàng)性成果摸到了產(chǎn)業(yè)化的邊緣。當(dāng)下,全球?qū)τ谑┑难芯刻幱谕黄鹋芫€,誰能成為石墨烯新產(chǎn)品的策源地,比拼的是速度。
通過一年來的中試,上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺積累了豐富經(jīng)驗(yàn),正在謀劃升級———在原有中試生產(chǎn)線基礎(chǔ)上,今年又新增了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和檢驗(yàn)檢測中心,這些為共性技術(shù)研發(fā)設(shè)立的新部門,將為每一個來到平臺轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品贏得時(shí)間。
“以前我們是為單個樣品建立中試線,隨著樣品越來越多,需要為它們提煉共性技術(shù)。”孟巖說。