超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、太空電梯……被譽為“21世紀神奇材料”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)展石墨烯相關產(chǎn)業(yè)，期待它帶來巨大的市場價值。
2014年底，西班牙石墨烯公司同科爾多瓦大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動車最多能 行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。該公司已與德國四大汽車公司中的兩家進行聯(lián)合測試，計劃在2015年將該電池投入生產(chǎn)。
2014年10月，美國麻省理工學院研究人員發(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%的超級電容器，且揉皺—平復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。
圖③：石墨烯可制造太空電梯。
圖④：石墨烯原子結構圖。
圖⑤：石墨烯制成的低功耗發(fā)光面板。
圖⑥：應用石墨烯可制成超薄可折疊手機。
兩名英國科學家利用“膠帶”從石墨表面“撕”出的單層物質(zhì)，為他們贏得了諾獎桂冠
石墨烯的發(fā)現(xiàn)者可能未曾預料到它的研發(fā)會有如此迅猛的突破。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械 剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨——石墨烯。2010年諾貝爾物理學獎授予了這兩位物理學家，以表彰他們對石墨烯的研究。
石墨烯是單原子層的二維晶體材料，也是結構最為簡單的碳材料。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”。被譽為“21世紀神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最堅硬、室溫下導電性最好而且擁有強大靈活性的納米材料：它可以薄到只有一個碳 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、蓄電池等諸多領域的應用充滿想象。[NT:PAGE]
科學家預計，未來5到10年里，石 墨烯研究會有很大發(fā)展，首個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、超薄可折疊手機、高強度航空材料， 甚至更富想象力的太空電梯等未來設備將在相關領域引發(fā)革命性突破，并帶動價值數(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售價約為3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯的市場售價高達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)外相關機構的科研投入力度也在上升，市場關注度隨之升溫。
中國
發(fā)展迅速，基礎與應用研究并行
中國是目前石墨烯研究和應用開發(fā)最為活躍的國家之一。數(shù)據(jù)顯示，在所有國家中，中國申請的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2200項，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。國家自然科學基金委資助了大量有關石墨烯的基礎研究項目，國家科 技重大專項、國家973計劃也部署了一批重大項目。各級政府對石墨烯表現(xiàn)出極大的興趣，已經(jīng)初步形成了政府、科研機構、研發(fā)和應用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學研 合作對接機制。2011年10月，江蘇常州成立了江南石墨烯研究院，為國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應用的產(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企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向集中在石墨烯的制備以及儲能、觸摸屏和涂層等幾個應用領域?？茖W家也已經(jīng)開發(fā)了一系列石墨烯 基儲能材料，如石墨烯基高密度多孔碳材料，為促進石墨烯的實際應用鋪平了道路。2013年7月，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(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)學研信息、知識產(chǎn)權等資源共享機制，提升石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)新水平和競爭力。
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用領域的研究;2013年英國政 府聯(lián)合歐洲研究與發(fā)展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院，由兩位諾貝爾獎得主領銜，該研究院預計于2015年初建成。 2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達爾公司宣布繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯的應用 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先地位。英國財政大臣奧斯本稱，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。
美國
實力雄厚，科研與產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)
美國作為科技強國，研發(fā)實力強，對石墨烯的研究投入開始較早，投入力度也相對較大。美國國防部高級研究計劃署2008年7月就發(fā)布了總投資2200萬美 元的碳電子射頻應用項目，旨在開發(fā)超高速和超低能量應用的石墨烯基射頻電路。2006年—2011年間，美國國家自然科學基金關于石墨烯的資助項目有 200項左右，涵蓋了石墨烯研究和應用的各個領域。2014年，國家自然科學基金投入1800萬美元、美國空軍科研辦公室投入1000萬美元對石墨烯及相 關的二維材料開展基礎研究。
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)化和應用進程相對較快。美國具有眾多研發(fā)實力強 勁的大型企業(yè)，如國際商業(yè)機器公司(IBM)、英特爾、波音等投入大量的科研力量進行石墨烯的研發(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性能彰顯出應用前景，預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 幅降低藍光LED成本，而這種技術有機會催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“后硅時代”組件，為此，該公司計劃未來5年內(nèi)投入30億美元研究下一代芯片技術。[NT:PAGE]
歐盟
聯(lián)合研發(fā)，積極搶占戰(zhàn)略制高點
歐盟近年來對石墨烯的研發(fā)也投入較大。截至2011年，歐盟總共投入了約1.5億歐元推動石墨烯的相關研發(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)化以及應用的推進。除了政府推動的學術研究，許多工業(yè)巨頭，如巴斯夫及拜耳公司等，也投入了相當?shù)娜肆拓斄訌妼κ┫嚓P應用的研發(fā)。
2013年1月，歐盟委員會更是將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，計劃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驗室推向社會，促進產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟增長，創(chuàng)造就業(yè)機會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團隊組 成，其中包括4名諾貝爾獎得主。
作為歐盟的重要成員國，德國于2010年啟動了石墨烯優(yōu)先研究計劃，包括38個研究項目，前3年預算經(jīng) 費為1060萬歐元;德國聯(lián)邦教研部也于當年投入了700萬歐元資助相關研究，旨在加深對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。 2012年10月，德國慕尼黑工業(yè)大學的科學家成功制成石墨烯光電探測器，石墨烯制成的光電探測器能非?？焖俚靥幚砗鸵龑Ч怆娦盘枴?/p>
韓國
重視專利，政府與企業(yè)合力發(fā)展
韓國石墨烯相關研究與產(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。韓國原知識經(jīng)濟部預計2012至 2018年間向石墨烯領域提供總額為2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應用研究。2013年， 韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布整合韓國國內(nèi)研究機構與企業(yè)力量推進石墨烯商業(yè)化發(fā)展，包括韓國科學技術院在內(nèi)的41家研究機構將與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，合作 攻關，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，形成25家全球領先企業(yè)。韓國注重保護和申請石墨烯專利，專利量居全球第 三，僅次于美國和中國，遠高于歐洲其他國家。
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用于柔性顯示、觸摸屏以及 芯片等領域的國際領先地位，在2011年研發(fā)出40英寸的石墨烯觸摸屏面板。2014年，三星先進技術研究院與韓國成均館大學聯(lián)合宣布合成了一種能在更大 尺度內(nèi)保持導電性的石墨烯晶體，是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設備上的屏幕顯示技術。韓國科學家也于去年11月宣布發(fā)明最新的石墨烯超級手機電池，可 存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。
日本
政府資助，眾多企業(yè)爭相參與
日本作為碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家之一，從2007年起就對石墨烯的開發(fā)進行資助。例如：日本科學技術振興機構2007年就對石墨烯材料和器件的技術開發(fā) 項目進行資助;經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省2011年實施的“低碳社會實現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”項目，重點支持了碳納米管和石墨烯的批量合成技術。
除了日本政府的相關投入外，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研究以及應用開發(fā)，并取得了顯著進展。日本索尼公司2012年就研發(fā)出了可以生成長度達120米的石墨烯的透明薄膜化學氣相生長技術。
(作者單位為清華大學深圳研究生院、深圳市石墨烯重點實驗室和天津大學化工學院)
粵公網(wǎng)安備 44010602001351號