| 中国石墨烯研究进展及趋势 |
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| (2014-6-20 14:02:46) 1403人次浏览 |
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这种世界上最薄的物质，比钢铁还要强韧100多倍如果把厚度相当于人的头发丝直径十万分之一的石墨烯，叠成保鲜膜那样厚，需要一头大象站在一支铅笔上所产生的压强，才能刺破它。
这种目前已知最薄、最硬、导电导热最好的材料，被发现短短十年来，已成为各国科学界炙手可热的新材料。目前中国沿海多地，都雄心勃勃地筹备着自己的石墨烯产业化项目。
作为中国在该领域的最权威研究者之一，中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授刘忠范，就中国的石墨烯研究进展和产业情况接受了《了望东方周刊》专访。
他认为，虽然石墨烯还处于基础研究阶段，但的确可能在能源、环境、航天、军事等关键领域有广阔发展空间，而作为碳材料研究大国的中国，石墨烯研究已走在了世界前列。
不过，刘忠范表示，目前对石墨烯前景的认识尚不明朗。
纸一样轻薄的防弹衣
《了望东方周刊》：石墨烯到底是什么？
刘忠范：石墨烯是人类发现的首个二维原子晶体。首先它是世界上最薄的物质之一，仅相当于人头发丝直径的十万分之一。即使如此，石墨烯却是世界上最坚固的物质，比钢铁还要强韧100多倍。
从其他方面讲，石墨烯的导电性、导热性也非常良好。可以说它的出现刷新了人类对于物质世界和微观世界的认识，也为科研工作者开辟了一片崭新的广阔天地。
所以在石墨烯被发现短短六年之后，也就是2010年，它的发现者就获得了诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔奖历史上也是不多见的。
《了望东方周刊》：石墨烯具体可以用来做什么？
刘忠范：作为一种新兴的纳米材料，石墨烯的应用前景并不十分明朗。目前关于石墨烯的研究绝大部分仍处于实验室的基础研究阶段，但某些应用已经初现端倪，比如距离出现在我们日常所用的电子设备中的日子不远了。
现在柔性电子产品、可穿戴设备等概念非常流行，但手机、iPad脆弱的屏幕是短板。石墨烯拥有很好的柔韧性，可以任意弯折而不破坏性能。石墨烯还可以用作柔性电池的电极。如果这种设想实现了，那么我们的手机就薄如纸片，有iPad那么大的屏幕，不用的时候又可以折叠装进口袋。穿戴设备的弧度也可以随意调整，使它完全贴合身体。
另一方面，石墨烯具有非常高的化学惰性，因此可以用作某些军工材料或设备的涂层，使它们耐腐蚀。石墨烯密度极小，又无比坚固，可以大大减轻材料重量，同时又获得极高的机械强度。例如可制成像纸一样轻薄的防弹衣。
如果石墨烯用在航空航天设备中，可大大减少负荷。将石墨烯作为金属材料的添加剂，例如烯合金，会大大提高合金材料的屈服和抗拉强度，在航天领域潜在应用价值极大。
石墨烯还可以吸收微波波段的辐射，这能用于制造隐形飞机。美国NASA正在研制石墨烯的微型传感器，并计划用于航天过程中对氧气含量的精确监测。
总之，希望也相信科学家们无穷的创造力，将会使这些慢慢变为现实。
正从基础研究向产业化过渡
《了望东方周刊》：你对石墨烯大规模产业应用的时间有何估计？
刘忠范：至少需要5～10年。尽管未来几年内可能会有一些石墨烯的相关产品进入大众的视野，但距离大规模应用仍有一段路要走。
我们欣喜于石墨烯正从基础研究向产业化过渡。比如常州、无锡等地，投资组建了我国第一个关于石墨烯研究与产业孵化机构，发布了《无锡石墨烯产业发展规划纲要》。
如果问石墨烯可能在哪个行业最早实现产业化？较有希望的可能是触摸屏、柔性电子器件等领域。这要综合考虑相关技术的实现难度、制造成本、市场需求、现有技术的成熟度和不足等诸多因素。
另外，如果体相石墨烯的制造成本可降至足够低，并且石墨烯质量能再提高的话，添加石墨烯力学增强的复合材料有望很快进入市场。
产业化是一个复杂的问题，牵涉多个层面，当然最为核心的仍是产品质量与成本。从质量上看，例如对于大面积石墨烯薄膜的应用来说，石墨烯的导电性、转移过程中的破损与污染等因素，都制约了其应用。
对石墨烯粉体材料来说，石墨烯片层的尺寸、结晶性等有待提高。在成本上，这两种原料的价格目前都偏高。近年来，虽然制造成本下降了一些，但成本仍有压缩空间，这取决于能否开发出更为经济、高效的石墨烯制备方法。
市场“虚火太旺”
《了望东方周刊》：当前我国对石墨烯的研究现状如何？
刘忠范：中国一直是碳材料研究大国。过去十年，我们对石墨烯的基础研究和应用研究都已经跻身世界前列，近年来在石墨烯领域发表论文和申请专利数量上都处于世界第一。
我们在人力、物力方面都具有极大的优势。其次，我们国家介入石墨烯研究领域的时间较早。但也必须看到，目前我们的研究还主要是追随国外高水平研究机构的步伐，真正原创性、突破性的进展较少。论文总数虽然世界第一，但引用数量上仍远远落后于美国。
《了望东方周刊》：有人说，目前石墨烯的市场表现“虚火太旺”，造成了市场虚假繁荣，你如何看？
刘忠范：目前看来确实是有这样的现象。主要是现在对于石墨烯前景的认识不够明朗，石墨烯产品还是以概念性的为主，短时间内又有大量资金注入所致。
一种革命性的新材料进入市场，都会或多或少面临这样的问题。但长远看，各方性能极为优异的石墨烯，未来大有可为毋庸置疑。相信随着与石墨烯相关知识的普及，市场认知将更为客观，石墨烯市场将迎来良性发展的新阶段。
《了望东方周刊》：对于加速石墨烯科研及产业化，你有什么建议？
刘忠范：首先，科研院所要将研究目标定为做出原创性的工作，而不是盲目跟风，人云亦云，更不能急功近利，重量不重质。
其次，中央和地方政府对于石墨烯的研究和产业化给予更多引导和扶持，对石墨烯产业进行统筹规划和长远考虑，优化石墨烯产业布局，避免产能过剩，打造石墨烯生产和应用的技术密集型产业，加大高技术含量、高附加值产品的比重，维持产业的健康有序发展。
第三，科学是无国界的，但科学家是有祖国的。一方面加强不同地区、不同国家间交流，另一方面要注重发展拥有自主知识产权的产品和技术。这样有利于自力更生，不过度依赖国外的产品和技术。
这种世界上最薄的物质，比钢铁还要强韧100多倍如果把厚度相当于人的头发丝直径十万分之一的石墨烯，叠成保鲜膜那样厚，需要一头大象站在一支铅笔上所产生的压强，才能刺破它。
这种目前已知最薄、最硬、导电导热最好的材料，被发现短短十年来，已成为各国科学界炙手可热的新材料。目前中国沿海多地，都雄心勃勃地筹备着自己的石墨烯产业化项目。
作为中国在该领域的最权威研究者之一，中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授刘忠范，就中国的石墨烯研究进展和产业情况接受了《了望东方周刊》专访。
他认为，虽然石墨烯还处于基础研究阶段，但的确可能在能源、环境、航天、军事等关键领域有广阔发展空间，而作为碳材料研究大国的中国，石墨烯研究已走在了世界前列。
不过，刘忠范表示，目前对石墨烯前景的认识尚不明朗。
纸一样轻薄的防弹衣
《了望东方周刊》：石墨烯到底是什么？
刘忠范：石墨烯是人类发现的首个二维原子晶体。首先它是世界上最薄的物质之一，仅相当于人头发丝直径的十万分之一。即使如此，石墨烯却是世界上最坚固的物质，比钢铁还要强韧100多倍。
从其他方面讲，石墨烯的导电性、导热性也非常良好。可以说它的出现刷新了人类对于物质世界和微观世界的认识，也为科研工作者开辟了一片崭新的广阔天地。
所以在石墨烯被发现短短六年之后，也就是2010年，它的发现者就获得了诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔奖历史上也是不多见的。
《了望东方周刊》：石墨烯具体可以用来做什么？
刘忠范：作为一种新兴的纳米材料，石墨烯的应用前景并不十分明朗。目前关于石墨烯的研究绝大部分仍处于实验室的基础研究阶段，但某些应用已经初现端倪，比如距离出现在我们日常所用的电子设备中的日子不远了。
现在柔性电子产品、可穿戴设备等概念非常流行，但手机、iPad脆弱的屏幕是短板。石墨烯拥有很好的柔韧性，可以任意弯折而不破坏性能。石墨烯还可以用作柔性电池的电极。如果这种设想实现了，那么我们的手机就薄如纸片，有iPad那么大的屏幕，不用的时候又可以折叠装进口袋。穿戴设备的弧度也可以随意调整，使它完全贴合身体。
另一方面，石墨烯具有非常高的化学惰性，因此可以用作某些军工材料或设备的涂层，使它们耐腐蚀。石墨烯密度极小，又无比坚固，可以大大减轻材料重量，同时又获得极高的机械强度。例如可制成像纸一样轻薄的防弹衣。
如果石墨烯用在航空航天设备中，可大大减少负荷。将石墨烯作为金属材料的添加剂，例如烯合金，会大大提高合金材料的屈服和抗拉强度，在航天领域潜在应用价值极大。
石墨烯还可以吸收微波波段的辐射，这能用于制造隐形飞机。美国NASA正在研制石墨烯的微型传感器，并计划用于航天过程中对氧气含量的精确监测。
总之，希望也相信科学家们无穷的创造力，将会使这些慢慢变为现实。
正从基础研究向产业化过渡
《了望东方周刊》：你对石墨烯大规模产业应用的时间有何估计？
刘忠范：至少需要5～10年。尽管未来几年内可能会有一些石墨烯的相关产品进入大众的视野，但距离大规模应用仍有一段路要走。
我们欣喜于石墨烯正从基础研究向产业化过渡。比如常州、无锡等地，投资组建了我国第一个关于石墨烯研究与产业孵化机构，发布了《无锡石墨烯产业发展规划纲要》。
如果问石墨烯可能在哪个行业最早实现产业化？较有希望的可能是触摸屏、柔性电子器件等领域。这要综合考虑相关技术的实现难度、制造成本、市场需求、现有技术的成熟度和不足等诸多因素。
另外，如果体相石墨烯的制造成本可降至足够低，并且石墨烯质量能再提高的话，添加石墨烯力学增强的复合材料有望很快进入市场。
产业化是一个复杂的问题，牵涉多个层面，当然最为核心的仍是产品质量与成本。从质量上看，例如对于大面积石墨烯薄膜的应用来说，石墨烯的导电性、转移过程中的破损与污染等因素，都制约了其应用。
对石墨烯粉体材料来说，石墨烯片层的尺寸、结晶性等有待提高。在成本上，这两种原料的价格目前都偏高。近年来，虽然制造成本下降了一些，但成本仍有压缩空间，这取决于能否开发出更为经济、高效的石墨烯制备方法。
市场“虚火太旺”
《了望东方周刊》：当前我国对石墨烯的研究现状如何？
刘忠范：中国一直是碳材料研究大国。过去十年，我们对石墨烯的基础研究和应用研究都已经跻身世界前列，近年来在石墨烯领域发表论文和申请专利数量上都处于世界第一。
我们在人力、物力方面都具有极大的优势。其次，我们国家介入石墨烯研究领域的时间较早。但也必须看到，目前我们的研究还主要是追随国外高水平研究机构的步伐，真正原创性、突破性的进展较少。论文总数虽然世界第一，但引用数量上仍远远落后于美国。
《了望东方周刊》：有人说，目前石墨烯的市场表现“虚火太旺”，造成了市场虚假繁荣，你如何看？
刘忠范：目前看来确实是有这样的现象。主要是现在对于石墨烯前景的认识不够明朗，石墨烯产品还是以概念性的为主，短时间内又有大量资金注入所致。
一种革命性的新材料进入市场，都会或多或少面临这样的问题。但长远看，各方性能极为优异的石墨烯，未来大有可为毋庸置疑。相信随着与石墨烯相关知识的普及，市场认知将更为客观，石墨烯市场将迎来良性发展的新阶段。
《了望东方周刊》：对于加速石墨烯科研及产业化，你有什么建议？
刘忠范：首先，科研院所要将研究目标定为做出原创性的工作，而不是盲目跟风，人云亦云，更不能急功近利，重量不重质。
其次，中央和地方政府对于石墨烯的研究和产业化给予更多引导和扶持，对石墨烯产业进行统筹规划和长远考虑，优化石墨烯产业布局，避免产能过剩，打造石墨烯生产和应用的技术密集型产业，加大高技术含量、高附加值产品的比重，维持产业的健康有序发展。
第三，科学是无国界的，但科学家是有祖国的。一方面加强不同地区、不同国家间交流，另一方面要注重发展拥有自主知识产权的产品和技术。这样有利于自力更生，不过度依赖国外的产品和技术。
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