萬能的石墨烯,石墨烯電池、石墨烯柔性屏?是真有還是只為炒作

來源:網(wǎng)絡(luò)整理 作者:2017年05月12日 17:53
關(guān)鍵詞:石墨烯石墨烯電池

  作為一種讓發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎的“新材料之王”,在國內(nèi)企業(yè)頻頻推出“革命性產(chǎn)品”的同時,為何被業(yè)內(nèi)一致指責(zé)為彌天大謊?

  

  臨近年關(guān),李義春愈發(fā)顯得匆忙——一個多月內(nèi),他的行程遍及安徽宿州、山東德州、四川德陽、河北唐山以及北京、上海、重慶等地。

  作為“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”秘書長,他幾乎每天都要去全國各地調(diào)研或參加各種論壇,與當(dāng)?shù)卣蚩蒲袑W(xué)校合作共建石墨烯產(chǎn)業(yè)區(qū),試圖讓石墨烯產(chǎn)業(yè)在全國遍地開花。

  與略顯低調(diào)的秘書長相比,另一些新聞則相當(dāng)高調(diào):先是2015年11月26日,“華為Mate8”在微博有意無意稱發(fā)布會亮點是“采用全新的石墨烯電池”;然后是12月底,中科院上海硅酸鹽所宣稱可用作電動車的“石墨烯超強電池”面世——充電只需7秒鐘,即可續(xù)航35公里;而最新消息是青島一家研究院在1月19日宣稱研發(fā)出國際領(lǐng)先的石墨烯鋰電子電容器。

  “以上種種都只是在說明,石墨烯已成最熱炒的產(chǎn)業(yè)話題?!币晃挥^察人士對記者說,從2004年被發(fā)現(xiàn),到2010年發(fā)現(xiàn)者被授予諾貝爾獎,石墨烯一直不溫不火,最近一年來卻在種種“萬能革命材料”的口號聲中走上神壇,成為眾多地方政府、科研院校、企業(yè)乃至資本市場最為熱衷涉足的淘金產(chǎn)業(yè)。

  “淘金熱”背后,是越來越多對石墨烯應(yīng)用的質(zhì)疑之聲:充電7秒電動車?yán)m(xù)航35公里、“充電5分鐘通話十小時”是真是假?這種看上去應(yīng)用幾乎所向披靡的萬能新材料,帶來的是革命性顛覆還是“畫餅充饑”?而這個看似光明的產(chǎn)業(yè)前景,又何時能真正兌現(xiàn)?

  “世界領(lǐng)先石墨烯”的背后

  如果不是和石墨烯扯上關(guān)系,“華為Mate8”肯定不會引起如此大的爭議。

  2015年11月26日,華為發(fā)布Mate8前,新浪微博“華為Mate8”發(fā)布了這樣一條預(yù)告——華為Mate8將使用全新的石墨烯電池。

  “這讓我很震驚?!弊鳛槭┭芯繍酆谜?,鐘楚明注意到在網(wǎng)絡(luò)上流傳的文案中,這幾乎是一款革命性產(chǎn)品:

  3000毫安的電池5分鐘即可充電至48%。這是中國乃至全球規(guī)模最大的一次石墨烯商用行動……電池革命也許確實面臨臨界點了。”

  如果消息屬實,這將是石墨烯首次以工業(yè)化產(chǎn)品方式華麗亮相。在鐘楚明的印象中,被譽為“新材料之王”的石墨烯受到了華為的極大重視。2015年10月23日,就在***習(xí)近平參觀英國曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院當(dāng)天,華為對外宣布與曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行共同開發(fā)ICT(信息、通信、技術(shù))領(lǐng)域的合作研究,研究如何將石墨烯應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品和移動通信設(shè)備。

  而更早之前在日本舉行的一次研討會上,華為表示石墨烯相關(guān)技術(shù)即將商用;華為公司創(chuàng)始人任正非,此前亦多次談到石墨烯,認(rèn)為“這個時代將來最大的顛覆是石墨烯時代將顛覆硅時代”,且未來10年至20年內(nèi)將爆發(fā)一場技術(shù)革命。

  因此外界對華為Mate8抱著極大希望,遺憾的是,在正式發(fā)布會中,華為并未提到直接使用石墨烯材料,這也讓外界質(zhì)疑“華為Mate8”與石墨烯扯上關(guān)系是炒作。

  2015年12月18日,新華社的報道再次讓人們震驚,中科院上海硅酸鹽所已研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性,可用作電動車的“超強電池”:充電只需7秒鐘,即可續(xù)航35公里。相關(guān)研究成果已發(fā)表在世界頂級期刊《科學(xué)》上。

  目前,電動汽車充一次電大約可跑300公里,但充一次電需花2個小時——“石墨烯超強電池”帶來怎樣的革命,人們難以想象。

  不過,隨后也有人發(fā)現(xiàn),《科學(xué)》雜志上刊登的那篇論文沒有提到石墨烯,而是碳材料,且超級電容器被稱為“電池”不妥。

  這同樣不能放慢其他企業(yè)或研究所研制出“世界領(lǐng)先石墨烯”的腳步:1月18日,青島市儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院宣稱成功研發(fā)出石墨烯鋰電池電容器,專家鑒定總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

  對普通大眾而言,在過去一年之中,也從網(wǎng)絡(luò)上看到了諸多令人眼花的石墨烯介紹:作為目前發(fā)現(xiàn)最薄、最堅硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種萬能材料,石墨烯“充電速度為普通電池的1000倍”、“充電十分鐘能跑1000公里”、“充電5分鐘,可通話10小時”……等等,足矣顛覆所有傳統(tǒng)。

  徹底改變21世紀(jì)的新材料之王

  通常情況下,膠帶不會被看作是一種具有科學(xué)突破性的進(jìn)展。但是在2004年,當(dāng)英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)在《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片,這一研究緩緩拉開了材料學(xué)革命的序幕。

  萬能的石墨烯,石墨烯電池、石墨烯柔性屏?是真有還是只為炒作

  石墨烯來源及用途

  石墨烯由此打開二維材料新視野。某種意義上,二維材料并不是全新技術(shù),研究人員自上世紀(jì)60年代就利用分子數(shù)外延機器開發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。

  中國上海復(fù)旦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說:

  石墨烯有所不同,它更像一本書中的紙頁?!?/p>

  外界鮮為人知的是,就在蓋姆發(fā)表那篇著名論文同時期的《自然》雜志上,也發(fā)表了張遠(yuǎn)波與合作者的一篇關(guān)于石墨烯的文章,但是2010年的諾貝爾物理學(xué)獎并未青睞后者。這在當(dāng)時,被看做國內(nèi)學(xué)者距離諾貝爾最近的一次。

  11年來,石墨烯相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長,2014年,全球研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果超過1.5萬項。全球已有超過200個機構(gòu)和1000多名研究人員從事石墨烯技術(shù)的開發(fā)和研究,其中不乏三星、IBM等科技巨頭。僅僅在過去5年,開發(fā)者和制造商已經(jīng)申請了1.3萬項石墨烯方面的技術(shù)專利,其中,中國申請的專利數(shù)量最多,超過2200項,占全世界的三分之一。

  這種現(xiàn)象很合乎情理:由于是最薄、最輕、最強韌、導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好的納米材料,石墨烯一經(jīng)問世便被公認(rèn)為21世紀(jì)最有前途的新材料,可廣泛應(yīng)用于微電子、物理、能源材料、化學(xué)、生物醫(yī)藥、航空航天、環(huán)保等領(lǐng)域。

  比如,在制造工藝中加入石墨烯后,智能手機的觸摸屏或?qū)⒏?、更輕,同時又最不易碎;手機充電或許只要幾秒鐘;計算機處理器的運轉(zhuǎn)速度或?qū)⑻岣邤?shù)百倍等等。

  2011年,IBM沃森研究中心科學(xué)家在《Science》上發(fā)文宣布,他們成功研制出了首款由石墨烯圓片制成的集成電路,這一成果被評為了2011年全球十大科學(xué)新聞之一,它標(biāo)志著石墨烯在計算機芯片上的應(yīng)用前進(jìn)了一大步。原因在于,這種芯片或許可以使手機能在通常認(rèn)為無法接收信號的地方工作。

  “過去我們曾100%地依賴石油,而現(xiàn)在通過混合石墨烯,人類對石油的依賴度可能會降低到原來的50%?!蔽挥诩幽么蟮腉rafoid創(chuàng)始人 Gordon Chiu認(rèn)為,石墨烯甚至可能在制造過程中取代某些金屬和其他自然資源,“石墨烯有能力從根本上影響我們作為地球物種的生活方式和先進(jìn)性?!?/p>

  石墨烯在中國為何成了彌天大謊?

  不過,盡管石墨烯的應(yīng)用前景越來越被看好,另一種截然不同的說法也是斬釘截鐵:石墨烯在中國就是一個騙局。

  

  2015年3月,中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院宣布推出一款名為“影馳SETTLER α”的石墨烯手機,根據(jù)當(dāng)時的宣傳,其透光率高達(dá)97%,手機充電速率提高了40%,電池壽命延長了50%,電池的能量密度也增加10%。因為和石墨烯沾邊,盡管這款手機只相當(dāng)于千元級配置,售價也得以高達(dá)2499元。

  

  8個月過去,這款石墨烯手機盡管彼時宣布首批推出3萬臺,卻一直未在市場銷售。

  但人們可以買到其他可種各樣的石墨烯產(chǎn)品。比如新三板上市公司圣泉集團(tuán)已經(jīng)在市場推出了石墨烯襪子和內(nèi)衣。根據(jù)該公司的宣傳,他們在產(chǎn)品中添加了生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維,這是一種全新的智能多功能復(fù)合纖維,“具有激活免疫細(xì)胞、防護(hù)紫外線、改善微循環(huán)、抗菌抑菌、增溫增陽等特性,還可以除臭”。

  根據(jù)該公司的宣傳介紹,他們將植物秸稈碳化提取石墨烯,利用石墨烯的超導(dǎo)性作為生產(chǎn)衣服的原料。他們計劃還將推出智能文胸,通過內(nèi)置感應(yīng)器測量女性胸部溫度細(xì)微變化,有效預(yù)防腫瘤及乳腺癌,還計劃應(yīng)用到軍服上——目前,這些所謂的石墨烯產(chǎn)品價格不菲,一雙襪子的價格超過50元,一條內(nèi)褲的價格接近300元,一條石墨烯腰帶的價格需近600元,而發(fā)熱服則賣到1700元以上。

  “前幾年納米材料熱炒時,國內(nèi)出現(xiàn)了很多‘納米+’的概念炒作,這次‘石墨烯’也是一樣,很多石墨烯產(chǎn)品就是一個彌天騙局?!眹?63項目負(fù)責(zé)人、材料科學(xué)家、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授其魯說。由于在新材料能源方面的貢獻(xiàn),其魯亦被稱為我國鈷酸鋰、錳酸鋰電池正極材料的主要奠基人。

  根據(jù)記者了解,石墨烯目前主要分兩種:單原子薄膜石墨烯以及石墨烯粉體。前者的制備主要是以甲烷、乙炔等含碳?xì)怏w為原料,利用化學(xué)氣相沉積的方式合成,和石墨或者秸稈沒有什么關(guān)系。

  石墨烯粉體則是利用天然石墨,利用濃酸和強氧化劑進(jìn)行氧化,然后采用膨脹熱處理還原得到,至于從秸稈中提取的石墨烯,號稱15斤玉米芯就能提取一斤的石墨烯,在諸多業(yè)內(nèi)人士看來是聞所未聞。

  除開騙局明顯的石墨烯內(nèi)褲,為多家研究所和企業(yè)熱衷研發(fā)的“石墨烯電池”、“石墨烯鋰電池”同樣被指是在撒謊。

  目前,石墨烯應(yīng)用在電池領(lǐng)域的做法,一般是在鋰電池的正負(fù)極中,添加石墨烯材料?!斑@種做法顯然是誤導(dǎo)?!苯?,清華能源互聯(lián)網(wǎng)研究員劉冠偉質(zhì)疑“石墨烯電池”的文章在網(wǎng)上熱傳。

  在這篇名為《傳說中的“石墨烯電池”技術(shù) ,難道是一場彌天大謊?》文章中,劉冠偉一開始就給出了明確觀點:

  石墨烯電池”這個技術(shù)接近于不存在,石墨烯只有在理論上能夠提高充放電速率,而對于容(能)量的提升基本沒有任何幫助(期望“石墨烯電池”可以解決手機/電動汽車?yán)m(xù)航的人要失望了),其噱頭意義遠(yuǎn)大于實用價值。

  劉冠偉稱,根據(jù)經(jīng)典的電化學(xué)命名法,一般智能手機使用的鋰離子電池應(yīng)該命名為“鈷酸鋰-石墨電池”。之所以稱為“鋰離子電池”,是因為鋰離子在其中起到主要作用?!皣?yán)格意義上來講,石墨烯只是在電池中做輔助作用,因此不能將應(yīng)用了石墨烯的電池,直接稱作‘石墨烯電池’?!?/p>

  在劉冠偉看來,現(xiàn)在基本進(jìn)入市場的,只有石墨烯作為“導(dǎo)電添加劑”應(yīng)用到鋰電池中。但就連“添加劑”式的應(yīng)用,也頗多質(zhì)疑。

  石墨烯可以做導(dǎo)電劑,促進(jìn)鋰電池快充放,理論上能提高倍率性能,但若分散工藝不到位,混料不均,一切都是空中樓閣;另外,目前物美價廉的材料很多,并不一定非要使用價格昂貴的石墨烯?!?/p>

  記者注意到,劉冠偉的觀點,得到了張元波、其魯、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授盧紅斌、哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系教授袁國輝等諸多業(yè)內(nèi)資深專家的認(rèn)同。

  “到現(xiàn)在誰能拿出數(shù)據(jù)嗎?誰家做出這樣的電池了嗎?”其魯也認(rèn)為,“鋰電池的正極和負(fù)極都是層狀物的結(jié)構(gòu),所以在一定的外界條件下,才能形成從正極到負(fù)極的遷移。而石墨烯是一個單層的碳原子環(huán)狀結(jié)構(gòu),就是它本身的化學(xué)物理性質(zhì)決定它,不會形成鋰電池單獨的負(fù)極材料?!?/p>

  很多人為此在浪費生命?

  對于業(yè)內(nèi)專家的質(zhì)疑,作為“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”秘書長,李義春的說法是:“業(yè)界雖然有爭議,但科技創(chuàng)新,什么事情都可能發(fā)生,有些專家認(rèn)為不可能的事情,好多都實現(xiàn)了,有些專家又過于武斷,但是我們要有開放的心態(tài)?!?/p>

  截至目前,無法得知青島最新研發(fā)出的“世界領(lǐng)先石墨烯鋰電池”真面目,華為方面的回復(fù)是“對石墨烯有研究,但不會這么快作為商用?!倍鳛橹锌圃荷虾9杷猁}所“石墨烯超強電動車電池”團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人,黃富強的辯解則是“大家從不同角度會得出不同的結(jié)論,然而實質(zhì)是同一個?!?/p>

  

  事實上,就連因為發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得2010年諾貝爾獎的安德烈·蓋姆,對國內(nèi)目前瘋狂熱炒的石墨烯同樣看不懂。2015年10月底,蓋姆在出席青島舉辦的一個石墨烯產(chǎn)品展示會上時,就不顧主辦方的臉色明確表示“包括石墨烯電池在內(nèi)的許多應(yīng)用產(chǎn)品目前來說也許存在炒作的嫌疑?!?/p>

  在蓋姆出席會議的當(dāng)天,由中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟首發(fā)的《2015全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》也一同發(fā)布,其顯示中國不僅2012年底研究石墨烯的論文發(fā)表數(shù)目位列全球第一,而且近三年專利數(shù)量迅升首位。

  不過,蓋姆在接受中國媒體采訪時同樣不客氣地指出,許多已發(fā)表的石墨烯論文中,一半的研究會被廢棄掉。另一方面,許多專利,特別是產(chǎn)自大學(xué)的專利,其中90%并沒什么價值,99%的專利最終會作廢,維護(hù)這些專利也會花很多費用,很多人為此在浪費生命。

  “中國雖然在石墨烯論文發(fā)表量上位居全球首位,但不少科研院所并不知道產(chǎn)業(yè)界到底要什么,科研和應(yīng)用脫節(jié)問題突出?!鼻迦A大學(xué)深圳研究生院院長、碳材料專家康飛宇公開表示。

  這些質(zhì)疑,并不能讓中國石墨烯從業(yè)者的腳步有所停留。1月16日,常州西太湖科技產(chǎn)業(yè)園舉行石墨烯項目入駐簽約儀式,21個石墨烯項目集體落戶常州。常州西太湖科技產(chǎn)業(yè)園黨工委書記劉志峰表示,常州石墨烯產(chǎn)業(yè)正在向“打造一個百億規(guī)模的特色產(chǎn)業(yè)”目標(biāo)邁進(jìn)。

  像常州這樣的石墨烯產(chǎn)業(yè)園在國內(nèi)已有很多。根據(jù)記者了解,在重慶、無錫、青島、唐山等地,都已形成了相當(dāng)規(guī)模的石墨烯產(chǎn)業(yè)園。而更多的石墨烯產(chǎn)業(yè)園,則有望在2016年相繼開花。

  在常州,二維碳素科技有限公司一位內(nèi)部人士對記者說,他們2011年在常州成立,到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到200人的規(guī)模,2012年出品世界首個電容式石墨烯觸摸屏。最近兩年,他們還利用石墨烯薄膜的高熱輻射效率,研發(fā)一些可加熱衣物。他們研發(fā)的方向,還包括石墨烯復(fù)合材料、太陽能電池、可穿戴傳感器等。不過他承認(rèn),這些產(chǎn)品實際上和石墨烯關(guān)系不大。

  比產(chǎn)業(yè)園、科研所、大學(xué)、企業(yè)更早嘗到甜頭的是資本市場。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,滬深兩市共有60家上市公司布局石墨烯業(yè)務(wù)。2015年8月中旬,位于江蘇的德爾家居宣布投資石墨烯超級鋰電池等項目,在描繪了“年營收增28億元、年凈利潤增4.5億元”的藍(lán)圖之后,這家搭上“石墨烯電池”概念的公司,股價猶如坐上了火箭,兩個多月漲幅達(dá)158.4%。

  產(chǎn)業(yè)商業(yè)化路漫漫

  “現(xiàn)在國內(nèi)的石墨烯應(yīng)用,真正做石墨烯的企業(yè)其實沒有幾家,很多都是原來做石墨等碳材料的企業(yè),甚至完全不相關(guān)的企業(yè)打著石墨烯的旗號,或者炒作股票,或者爭取國家基金,真正做石墨烯并且真正能賺錢的企業(yè)幾乎沒有?!鼻迦A大學(xué)材料學(xué)院微納力學(xué)中心教授朱宏偉說。

  而在劉冠偉看來,不僅是國內(nèi)的很多石墨烯是騙局,國外項目炒作的也不少。在他那那篇質(zhì)疑石墨烯電池的文章中,劉冠偉就表示“有石墨烯電池的西班牙Graphenano公司”無論是宣稱合作的三家德國汽車企業(yè),還是在專利局網(wǎng)站,都找不到任何有效信息。

  

  那么,被寄予厚望的“新材料萬能之王”,為何處于如此尷尬的爭議境地?

  根據(jù)記者了解,原因有三方面:一方面,無論國內(nèi)還是國外,在技術(shù)上都沒有找到獲得大面積單晶石墨烯的工業(yè)合成法,另一方面,在市場上石墨烯下游產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成,對石墨烯需求最大的也僅僅是各大科研院所和實驗室,并沒有大量石墨烯投入產(chǎn)業(yè)化運營。

  早在2010年,韓國成均館大學(xué)和三星公司的研究人員,就制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。當(dāng)時,論文通訊作者、成均館大學(xué)教授洪秉熙就提出,他們的方法可用于制造基于石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器和平板顯示器。但他當(dāng)時也承認(rèn),大規(guī)模制造和商業(yè)化還為時尚早——5年過去,洪秉熙的方法在韓國都還是停留在三星和成均館大學(xué)的實驗室。

  最后一方面,是石墨烯制備成本問題。由于無法量產(chǎn),石墨烯制備成本也一直居高不下,成本昂貴也阻礙了下游市場的產(chǎn)業(yè)化步伐。此前石墨烯價格高達(dá)5000元/克,比黃金還貴10幾倍?!澳瞧棵膊惑@人的東西比黃金還貴,幾克石墨烯粉末就價值幾十萬元人民幣,我們坐飛機的時候都是分開幾個人進(jìn)行運送,怕被安檢沒收?!币幻鍪┭芯康膭?chuàng)業(yè)公司曾經(jīng)如此形容。

  在加拿大,Grafoid和新加坡國立大學(xué)成立了世界最大的石墨烯研究中心(NUS),并且在2014年啟動位于安大略省的全新生產(chǎn)基地,這個約占2萬平方的基地主要生產(chǎn)石墨烯粉,當(dāng)時,該公司負(fù)責(zé)人表示他們能以低廉的價格大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)的石墨烯。不過,1年多過去,這個基地并未有任何新的消息。

  所以,真正阻撓石墨烯大規(guī)模應(yīng)用的,主要還是技術(shù)問題。其中低成本、大規(guī)模、高品質(zhì)石墨烯的一致性和可重復(fù)合成方法的開發(fā),是最大的困難。

  人們耳熟能詳?shù)娜な?,是安德烈·蓋姆用透明膠帶得到了石墨烯。但人們不知道的是,這種方法得到的石墨烯尺寸很小,一般在10微米-100微米之間,存在產(chǎn)率低和成本高的不足,不能滿足工業(yè)化和規(guī)?;a(chǎn)要求。

  

  后來,氧化石墨還原法是制備石墨烯最常用的方法之一。但這種方法得到的主要是石墨烯粉體,而且缺陷非常多,電學(xué)、力學(xué)性能都較差,需要用濃硫酸氧化石墨,其工業(yè)上廢液的處理是一個難題。

  此后,人們想到制備石墨烯未必要使用石墨,只需要設(shè)法讓碳原子結(jié)成一層薄膜?;瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)應(yīng)運而生,這種方法是將乙烯或乙炔等氣體導(dǎo)入到一個反應(yīng)腔內(nèi),讓這些氣體在高溫下分解,經(jīng)過冷卻后,碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯。雖然CVD能滿足規(guī)?;苽浯竺娣e、高質(zhì)量的石墨烯要求,但問題是,由于其成本較高和工藝復(fù)雜等缺點,限制了這種方法在石墨烯制備中的應(yīng)用。

  由于制備方法上巨大的差異,石墨烯粉體和CVD薄膜之間的價格也要相差上千倍。例如1克石墨烯粉體只需要不到10元,而1平方米石墨烯薄膜要幾十元到上百元,其重量其實不到1毫克。

  還有一種主要方法——溶劑剝離法。由于整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷,為其在微電子學(xué)、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景,缺點同樣是產(chǎn)率很低。

  因此,從應(yīng)用的角度,石墨烯目前在國內(nèi)外都是在講故事的階段?!俺酥?,目前石墨烯在消費電子產(chǎn)品中的尺寸、均勻性和可靠性等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未確定,因此石墨烯在消費電子產(chǎn)品上的實際用途還未顯示出來?!敝旌陚フJ(rèn)為,石墨烯目前可以在實驗室中做小規(guī)模器件,但批量生產(chǎn)與集成質(zhì)量沒法保證?!捌鸫a現(xiàn)在還看不到希望?!?/p>

  事實上,就連蓋姆本人,對現(xiàn)在石墨烯目前的這種商業(yè)化方式也存保留意見,蓋姆認(rèn)為石墨烯是一個引子,帶動了更廣泛二維材料的發(fā)展。但對于石墨烯來說,從物理學(xué)的角度,已經(jīng)到了一個瓶頸,未來除非有更大的突破,很難有進(jìn)一步的提升。

  石墨烯發(fā)展大事記

  2004年:安德烈。蓋姆和康斯坦丁。諾沃肖洛夫以簡單的膠帶機械剝離方法獲得了石墨烯。二人因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

  2009年12月:日本富士通研究所宣布成功用石墨烯制作晶體管。

  2010年2月:IBM開發(fā)出石墨烯FET(場效應(yīng)晶體管)。

  2010年6月:三星與韓國成均館大學(xué)教授飯島澄男采用石墨烯制作出柔性透明電極。

  2012年1月:江南石墨烯研究院及二維碳素等公司宣稱聯(lián)合研制成功全球首款手機用石墨烯電容觸摸屏。

  2012年8月:諾基亞披露其研發(fā)部門在研究石墨烯光電傳感器。

  2012年9月:索尼宣稱開發(fā)出用卷對卷工藝制造石墨烯。

  2013年1月:中科院重慶研究院宣稱研制出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯。

  2013年5月:江蘇常州二維碳素科技有限公司稱全球最大規(guī)模石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn),年產(chǎn)能達(dá)3萬平方米。

  2013年11月:常州第六元素材料科技股份有限公司年產(chǎn)100噸氧化石墨烯、石墨烯粉體生產(chǎn)線投產(chǎn)。

  2014年4月:三星宣稱開發(fā)出在半導(dǎo)體晶圓上形成單晶石墨烯技術(shù)。

  2014年7月:IBM宣布將在未來5年內(nèi)投資30億美元用于石墨烯開發(fā)。

  2015年:《中國制造2025》由國務(wù)院正式頒布,再次將石墨烯作為新能源提上日程。

  相關(guān)鏈接:新材料之王的前世今生

  碳是最重要的元素之一,它有著獨特的性質(zhì),是所有地球生命的基礎(chǔ)。純碳可以是堅硬的鉆石,也可以是柔軟的石墨。

  由于這種材料是從石墨中制取的,而且包含烯類物質(zhì)的基本特征——碳原子之間的雙鍵,所以稱為石墨烯。實際上石墨烯本來就存在于自然界,只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。層與層之間附著得很松散,容易滑動,使得石墨非常軟、容易剝落。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。

  科學(xué)家在20世紀(jì)40年代就對類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過理論研究,但在此后很長時間里,制取單層石墨烯的努力一直沒有成功,有人認(rèn)為這樣的二維材料是不可能在常溫下穩(wěn)定存在的。2004年10月,發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上的一篇論文推翻了這種認(rèn)知。在英國曼徹斯特大學(xué)工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,用普通膠帶完成了他們的“魔術(shù)”。

  他們用膠帶從石墨上粘下薄片,這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反復(fù)粘上10到20次之后,薄片就變得越來越薄,最終產(chǎn)生一些單層石墨烯。這個看上去非常簡單、一點兒也不高科技的方法,并不是他們的首創(chuàng)。在此之前就有人試過,但沒能辨識出單層石墨烯。

  海姆和諾沃肖洛夫把剝離下來的薄片放在氧化硅基板上,光的干涉效應(yīng)使薄片在顯微鏡下呈現(xiàn)彩色條紋,就像油膜在水面上產(chǎn)生的效果。利用這種效應(yīng),他們觀察到了單層石墨烯。就這樣,第一種二維晶體材料正式出現(xiàn)了。之后,人們又制備出一些其他二維材料,例如氮化硼和二硫化鉬的二維晶體。

  石墨烯對物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義,它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過實驗來驗證,例如電子無視障礙、實現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的,是它那許多“極端”性質(zhì)的應(yīng)用前景。不過,這種二維的碳到底會給人類世界帶來什么樣的改變,即使是因此戴上諾貝爾獎桂冠的研究者們,也無法預(yù)知。

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