超薄超輕型飛機(jī)、超薄可折疊手機(jī)、太空電梯……被譽(yù)為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯以其神奇特性承載著人們的無數(shù)想象。世界主要國家均高度重視發(fā)展石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)，期待它帶來巨大的市場(chǎng)價(jià)值。
2014年底，西班牙石墨烯公司同科爾多瓦大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能 行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。該公司已與德國四大汽車公司中的兩家進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，計(jì)劃在2015年將該電池投入生產(chǎn)。
2014年10月，美國麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)，揉皺的石墨烯紙可用于制備易彎曲、折疊或拉伸到其原始大小800%的超級(jí)電容器，且揉皺—平復(fù)1000次其性能也不發(fā)生明顯降低。
圖片說明：
圖①：石墨烯是目前已知的世上最輕的納米材料。圖為一塊“碳海綿”被放在一朵櫻花上。
圖②：可用來復(fù)合石墨烯的柔性基底材料。該材料研制成功意味著可彎曲電視電腦將成現(xiàn)實(shí)。
圖③：石墨烯可制造太空電梯。
圖④：石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖。
圖⑤：石墨烯制成的低功耗發(fā)光面板。
圖⑥：應(yīng)用石墨烯可制成超薄可折疊手機(jī)。[NT:PAGE]
兩名英國科學(xué)家利用“膠帶”從石墨表面“撕”出的單層物質(zhì)，為他們贏得了諾獎(jiǎng)桂冠
石墨烯的發(fā)現(xiàn)者可能未曾預(yù)料到它的研發(fā)會(huì)有如此迅猛的突破。2004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·諾沃肖洛夫通過簡(jiǎn)單的“機(jī)械 剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨——石墨烯。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了這兩位物理學(xué)家，以表彰他們對(duì)石墨烯的研究。
石墨烯是單原子層的二維晶體材料，也是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的碳材料。常見的石墨材料可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此石墨烯也被視作 “單層石墨”。被譽(yù)為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最堅(jiān)硬、室溫下導(dǎo)電性最好而且擁有強(qiáng)大靈活性的納米材料：它可以薄到只有一個(gè)碳 原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片中能剝離出300萬層石墨烯;它很硬，其強(qiáng)度比鋼還要高200倍;在室溫下，電阻率最低的物質(zhì)是銀，而石墨烯的電阻率比銀 還小;它透明而不透氣……種種特性使石墨烯未來在觸摸屏、傳感器、蓄電池等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用充滿想象。
科學(xué)家預(yù)計(jì)，未來5到10年里，石 墨烯研究會(huì)有很大發(fā)展，首個(gè)石墨烯觸摸屏將在三五年內(nèi)上市，石墨烯電子紙樣品2015年可以研發(fā)成功，超薄超輕型飛機(jī)、超薄可折疊手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料， 甚至更富想象力的太空電梯等未來設(shè)備將在相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)革命性突破，并帶動(dòng)價(jià)值數(shù)萬億美元的新興產(chǎn)業(yè)鏈。
目前，石墨烯原材料石墨的市場(chǎng)售價(jià)約為3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯的市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)100萬元/噸。隨著批量化生產(chǎn)和大尺寸難題逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的科研投入力度也在上升，市場(chǎng)關(guān)注度隨之升溫。
中國
發(fā)展迅速，基礎(chǔ)與應(yīng)用研究并行
中國是目前石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。數(shù)據(jù)顯示，在所有國家中，中國申請(qǐng)的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2200項(xiàng)，占全世界的1/3。 2013年工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料中就包含石墨烯。國家自然科學(xué)基金委資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，國家科 技重大專項(xiàng)、國家973計(jì)劃也部署了一批重大項(xiàng)目。各級(jí)政府對(duì)石墨烯表現(xiàn)出極大的興趣，已經(jīng)初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研 合作對(duì)接機(jī)制。2011年10月，江蘇常州成立了江南石墨烯研究院，為國內(nèi)首個(gè)基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地。
中國目前已經(jīng)走在了 石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前列，涌現(xiàn)出了一大批石墨烯相關(guān)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向集中在石墨烯的制備以及儲(chǔ)能、觸摸屏和涂層等幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?？茖W(xué)家也已經(jīng)開發(fā)了一系列石墨烯 基儲(chǔ)能材料，如石墨烯基高密度多孔碳材料，為促進(jìn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。2013年7月，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在北京成立。聯(lián)盟的成立有 助于整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源，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，提升石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)新水平和競(jìng)爭(zhēng)力。[NT:PAGE]
英國
投入巨資，確保英國能做出名堂
英國是石墨烯的“誕生地”，但是相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化卻落后于中國、韓國、日本和新加坡等亞洲一些國家。
為改變這種局面，近幾年，英國政府投入巨資加速石墨烯的研發(fā)。2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊(1英鎊約合1.52美元)支持石墨烯研究， 包括建立總投資達(dá)6100萬英鎊的國家石墨烯研究院;2012年12月，英國政府增撥2150萬英鎊用以資助石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究;2013年英國政 府聯(lián)合歐洲研究與發(fā)展基金會(huì)共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立國家石墨烯研究院，由兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主領(lǐng)銜，該研究院預(yù)計(jì)于2015年初建成。 2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達(dá)爾公司宣布繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補(bǔ)充，加速石墨烯的應(yīng)用 研究和開發(fā)，維持英國在石墨烯及其他二維材料方面的世界領(lǐng)先地位。英國財(cái)政大臣奧斯本稱，英國政府將“致力于確保讓英國的發(fā)現(xiàn)在英國做出名堂來”。
不僅如此，英國還涌現(xiàn)了眾多致力于石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用的公司，比如英國著名的體育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的網(wǎng)球拍，諾瓦克·德約科維奇等眾多網(wǎng)球明星都在使用這款球拍。[NT:PAGE]
美國
實(shí)力雄厚，科研與產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)
美國作為科技強(qiáng)國，研發(fā)實(shí)力強(qiáng)，對(duì)石墨烯的研究投入開始較早，投入力度也相對(duì)較大。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署2008年7月就發(fā)布了總投資2200萬美 元的碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目，旨在開發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路。2006年—2011年間，美國國家自然科學(xué)基金關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目有 200項(xiàng)左右，涵蓋了石墨烯研究和應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。2014年，國家自然科學(xué)基金投入1800萬美元、美國空軍科研辦公室投入1000萬美元對(duì)石墨烯及相 關(guān)的二維材料開展基礎(chǔ)研究。
美國良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境也促使了眾多小型石墨烯企業(yè)的誕生，產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程相對(duì)較快。美國具有眾多研發(fā)實(shí)力強(qiáng) 勁的大型企業(yè)，如國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)、英特爾、波音等投入大量的科研力量進(jìn)行石墨烯的研發(fā)。2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓 片制成的集成電路，使石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景，預(yù)示著未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片。2014年10月，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能大 幅降低藍(lán)光LED成本，而這種技術(shù)有機(jī)會(huì)催生高頻晶體管、光探測(cè)器、生物傳感器以及其他“后硅時(shí)代”組件，為此，該公司計(jì)劃未來5年內(nèi)投入30億美元研究 下一代芯片技術(shù)。
歐盟
聯(lián)合研發(fā)，積極搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)
歐盟近年來對(duì)石墨烯的研發(fā)也投入較大。截至2011年，歐盟總共投入了約1.5億歐元推動(dòng)石墨烯的相關(guān)研發(fā)。歐盟現(xiàn)有50余家公司在開展石墨烯的研發(fā)、 產(chǎn)業(yè)化以及應(yīng)用的推進(jìn)。除了政府推動(dòng)的學(xué)術(shù)研究，許多工業(yè)巨頭，如巴斯夫及拜耳公司等，也投入了相當(dāng)?shù)娜肆拓?cái)力加強(qiáng)對(duì)石墨烯相關(guān)應(yīng)用的研發(fā)。
2013年1月，歐盟委員會(huì)更是將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，計(jì)劃10年內(nèi)提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，旨在把石墨 烯和其他二維材料從實(shí)驗(yàn)室推向社會(huì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)。該項(xiàng)目由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)牽頭、歐盟15個(gè)成員國的100多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)組 成，其中包括4名諾貝爾獎(jiǎng)得主。
作為歐盟的重要成員國，德國于2010年啟動(dòng)了石墨烯優(yōu)先研究計(jì)劃，包括38個(gè)研究項(xiàng)目，前3年預(yù)算經(jīng) 費(fèi)為1060萬歐元;德國聯(lián)邦教研部也于當(dāng)年投入了700萬歐元資助相關(guān)研究，旨在加深對(duì)石墨烯性能的理解和操控，為新型石墨烯基電子產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。 2012年10月，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測(cè)器，石墨烯制成的光電探測(cè)器能非?？焖俚靥幚砗鸵龑?dǎo)光電信號(hào)。
韓國
重視專利，政府與企業(yè)合力發(fā)展
韓國石墨烯相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，這不但得益于韓國政府近年來不間斷的支持，也得益于本國大型公司的巨大投入。韓國原知識(shí)經(jīng)濟(jì)部預(yù)計(jì)2012至 2018年間向石墨烯領(lǐng)域提供總額為2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究。2013年， 韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布整合韓國國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)力量推進(jìn)石墨烯商業(yè)化發(fā)展，包括韓國科學(xué)技術(shù)院在內(nèi)的41家研究機(jī)構(gòu)將與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，合作 攻關(guān)，政府將在未來6年投入4230萬美元，希望打造每年153億美元的市場(chǎng)，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。韓國注重保護(hù)和申請(qǐng)石墨烯專利，專利量居全球第 三，僅次于美國和中國，遠(yuǎn)高于歐洲其他國家。
產(chǎn)業(yè)企業(yè)層面，韓國三星投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及 芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，在2011年研發(fā)出40英寸的石墨烯觸摸屏面板。2014年，三星先進(jìn)技術(shù)研究院與韓國成均館大學(xué)聯(lián)合宣布合成了一種能在更大 尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上的屏幕顯示技術(shù)。韓國科學(xué)家也于去年11月宣布發(fā)明最新的石墨烯超級(jí)手機(jī)電池，可 存儲(chǔ)與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時(shí)間只需16秒。
日本
政府資助，眾多企業(yè)爭(zhēng)相參與
日本作為碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一，從2007年起就對(duì)石墨烯的開發(fā)進(jìn)行資助。例如：日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)2007年就對(duì)石墨烯材料和器件的技術(shù)開發(fā) 項(xiàng)目進(jìn)行資助;經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2011年實(shí)施的“低碳社會(huì)實(shí)現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”項(xiàng)目，重點(diǎn)支持了碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)。
除了日本政府的相關(guān)投入外，日本眾多企業(yè)，如日立、索尼、東芝等投入了大量資金和人力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開發(fā)，并取得了顯著進(jìn)展。日本索尼公司2012年就研發(fā)出了可以生成長(zhǎng)度達(dá)120米的石墨烯的透明薄膜化學(xué)氣相生長(zhǎng)技術(shù)。
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