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华人科学家找到“天使粒子”存在的铁证!
选择字体:      光明日报  发布时间:2016-07-29

“黑金”石墨烯

2015中国国际石墨烯创新大会上展示的石墨烯分子结构。解豪摄/光明图片

浙江大学用石墨烯制造出“碳海绵”,可放在樱花上,是世界上最轻的固体。龙巍摄/光明图片

  从制作铅笔芯的主要材料石墨中,能剥离出只有一层原子厚度的石墨烯。这是被誉为“黑金”的新材料,最薄却最坚硬,可制作复合材料和涂层,主要应用在汽车、建筑、电池、航空等领域。近日,由中国科学技术协会科学技术传播中心和北京市科学技术协会共同主办的“产业前沿技术大讲堂”开讲,凝聚态物理学家、中科院院士高鸿钧表示:尽管我国生产石墨烯的原料,即石墨的储量占全球的41.98%,但我国的石墨烯批量化生产和应用尚未实现,还存在技术转化能力弱、工装控制精度低、质量性能波动大等问题。

  1.吸引全球近300家知名公司研究

  从石墨中剥离出来的石墨烯,是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯被誉为“新材料之王”,是新材料领域的“黑金”,具有极端的物理性能,是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料。

  据不完全统计,全球有近300家知名公司涉足石墨烯研究,如IBM、英特尔、陶氏化学、通用、杜邦等,大量的核心专利被国外高校和企业掌握着。其中,韩国三星、美国IBM、日本东芝、韩国科学技术研究所、韩国成均馆大学等企业和高校具有较高的影响力。

  综合国内外各机构的分析结果来看,未来5年—10年将是全球石墨烯产业的高速发展期,各行业对石墨烯的需求将不断增加。石墨烯未来主要的应用领域为复合材料和涂层,集中在汽车、塑料、涂层、建筑、金属、电池、航空以及能源和储能等领域。

  据高鸿钧介绍,国内在这一领域的研究多集中在高校和中国科学院,有80多所大学和研究机构涉足石墨烯,但国内企业在专利数量方面远远落后于三星、IBM等国外企业,石墨烯研发过程中企业的主体作用亟待进一步加强。另外,国内研究多集中于bottom-up方法制备、锂离子电池中的应用、石墨烯复合材料方面,但在半导体器件方面实力较弱,产业布局也需要进一步优化。

  2.技术焦点从制备转向如何使用

  2010年后,全球石墨烯相关论文和专利数量呈井喷式增长。根据切萨布鲁夫技术生命周期理论,石墨烯产业仍处于技术成长期,且技术演化趋势正由石墨烯制备工艺向具体应用领域转变。

  从1991年开始至今,全球共发表石墨烯相关SCI论文13.77万篇以上。其中,中国、美国、韩国和日本发布论文数量位居全球前四名,占比分别为34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。

  高鸿钧介绍说,从1994年开始至今,全球有超过1.25万件石墨烯相关专利。从技术原创国专利申请数量来看,中国、韩国、美国、日本申请的专利量位居全球前四,占比分别是50%、14%、6%和6%,中国石墨烯相关专利量具有绝对优势。但从各原创国的技术申请范围看,韩国、美国和日本都在积极进行专利全球布局,而我国在这一领域的海外专利布局却较为薄弱,亟待进一步加强。

  从石墨烯专利技术申请领域看,2013年之前,石墨烯相关研究领域主要集中在制备领域。随着制备技术的完善与成熟,石墨烯专利申请开始向下游应用拓展,并开拓出新的领域——2013年至2015年间,全球新增大量关于复合纤维、涂层、功能薄膜、水处理等新兴领域的石墨烯技术专利申请,其中石墨烯复合材料的专利申请几乎翻倍,而制备技术专利的申请比例则降低。

  3.点“石”成“金”还需加强产业应用

  石墨烯产业上游为石墨烯资源,中游为石墨烯薄膜与粉体制作等环节,下游为石墨烯应用环节,也是附加值更高、发展空间更广阔的环节。

  全球现在已探明的天然石墨储量约为1.31亿吨,储量居前四位的国家分别为巴西、中国、印度和墨西哥,合计占全球总储量的97.77%。其中,中国储量约为5500万吨,占全球储量的41.98%。因此我国在石墨烯产业上具有天然的原料优势。

  目前,我国石墨烯材料正处于从实验室走向产业化的关键时期。在储能器件、改性材料、智能穿戴等领域的研究及应用已取得了重大突破。但受生产技术成熟度不高、产业化应用路径长等因素制约,石墨烯批量化生产和应用尚未完全实现,还存在技术转化能力弱、工装控制精度低、质量性能波动大、生产成本比较高、标准化建设滞后、商业应用领域窄等问题。

  据高鸿钧介绍,国际上对石墨烯的定义是1层—2层的纳米薄片才能称之为石墨烯,而只有没有任何缺陷的石墨烯才具备各种强大特性。然而,我国石墨烯相关技术的研发主体是大学和科研机构,企业的研发力量薄弱且分散,而且目前国内大多科研机构和高校追求的是“高质量、大面积、单层”的完美石墨烯形态,较少关注下游的产业应用。科研与应用之间的严重脱节,导致国内市场出现了重上游轻下游、重科研轻应用的现象。如此一来,非常不利于石墨烯技术的跨越式发展。随着石墨烯研究的深入发展,其应用领域也将不断拓展,这是一个拥有着巨大潜力的产业,但想要真正在国内寻求产业突破,还要大力提升科技和产业创新融合的能力。

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