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【90号茶室】神奇的石墨烯到底是何方神圣

90号茶室2018-06-21 21:22:06

作者:张旭东、于佳欣、任玮、李放、许晟、朱国亮

来源:新华社


从被比喻为最接近科幻名作《三体》“二向箔”的神秘物质,到被预言能改变21世纪的“神奇材料”,石墨烯正从实验室走进百姓生活。现在,它又将站在“风口”上,迎来发展的“春天”:中国“十三五”规划建议明确提出将加快突破新材料等领域核心技术。工信部等部委也于近日联合发文,提出要将石墨烯产业打造成先导产业。


这一“横空出世”的新材料到底神奇在哪里?能给我们的生活带来怎样的变化?何时才能迎来属于它的大时代?新华社记者带着这些思考,深入基层,揭开石墨烯的神秘面纱。


石墨烯为何方神圣?


11月20日,工信部、国家发改委和科技部联合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出将石墨烯产业打造成先导产业,逐渐实现石墨烯材料在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用。并提出到2020年,形成完善的石墨烯产业体系。


备受重视,身负使命的石墨烯,到底是何方神圣?


石墨烯,实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。


听起来稀松平常的石墨烯,却有诸多独一无二的特性。通俗来说,目前自然界中,这东西最薄、最结实,导电性极好,在工业领域中几乎无所不能。


石墨烯有多薄?厚度仅为普通纸张的十万分之一。记者在常州江南石墨烯研究院看到,在展示时,石墨烯片只能附着在塑料薄膜上,覆盖处的颜色明显深一些。


石墨烯的发现者、2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆这样描述石墨烯:可以被无限拉伸,弯曲到很大角度不断裂,可以抵抗很高的压力,同时还有着非同寻常的导热性和导电性。


“石墨烯电阻率极低,电子能在其中极为高效地移动,这使得石墨烯有非常好的导电性。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明说,如果将石墨烯与电子元件、电子设备进一步结合使用,可以增强储电设备的储电率,提高储电性能。


虽然只有一个原子的厚度,但石墨烯却是非常强韧的材料。通俗地讲,它强过钻石,“秒杀”钢铁。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一个平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克,可以承受1公斤的重物。


石墨烯还具有“针插不进、水泼不进”的零渗透特性。如果给船体涂上石墨烯涂层,就好像穿上防腐“铠甲”;如果发生化学品火灾,一张石墨烯薄膜可以把火灭掉。


石墨烯的惊奇之处还远不止此。1克重的石墨烯展开后面积为2630平方米!“这么大的比表面积(物理用词:1克固体拥有的总表面积)使其拥有超强的吸附性,我们正在研究用它做过滤装置,用于海水淡化、污水处理等领域。”青岛赛瑞达电子装备股份有限公司董事长宋立禄接受记者采访时说。


为了研究石墨烯,科学家们历经艰辛。当初在实验室获得的石墨烯片价值超过最珍贵的钻石。“100平方纳米的石墨烯,就要几千欧元,肉眼都看不见。”江南石墨烯研究院副院长董国材说,经过不断探索,制备石墨烯的新方法层出不穷,工业化生产石墨烯已经成功。


现在,江苏常州已有一个国家级的石墨烯产业基地,聚集着50多家企业,这里的石墨烯技术具备国际一流水平。石墨烯成本价也因批量生产大大降了下来,目前1平方米石墨烯片价格在300元左右。


与生产生活接轨,“烯”望无限


随着科研发展,目前,石墨烯系列产品开始走入百姓生活。不久前在青岛举办的2015中国国际石墨烯创新大会上,石墨烯理疗、保暖产品、LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯防弹材料等20余种石墨烯产品全新推出。


青岛华高墨烯科技有限公司董事长施建新向记者介绍,利用石墨烯特性研发的新型防弹衣,防弹插板只需17毫米就能达到甚至超过传统产品的防弹效果,重量还可减轻20%。


“利用石墨烯良好的导电性、散热性和材质坚固性,我们研发了石墨烯导静电轮胎,目前主要用于特种车辆和装有易燃易爆等危险品的车辆。”施建新说,导静电轮胎可以避免普通轮胎与地面摩擦产生的静电,从而避免装有易爆品等危险品的车辆发生爆炸。


在石墨烯的诸多应用中,最受普通大众关注和期待的,是它改变手机等电子设备产品功能的可能性。


智能手机刚出现的时候,长时间通话、玩游戏,手机就会发烫。如今这一问题基本解决——因为石墨烯材料极好的导热性得到了应用。常州市碳元科技公司近年来生产出石墨烯导热材料,迅速被应用在智能手机上,成为小米等手机的大客户。公司销售额在3年内从600万元“爆发式”增至2亿元以上。


智能手机触控屏的性能提升将直观地改善用户操作体验。上个月,常州二维碳素科技公司推出了全球首款石墨烯压力触控传感器,这一技术应用于智能移动终端电子产品上,可实现多级按压感应、轻按、轻击、指甲敲击、壳体振动等多项功能。二维碳素科技公司周振义副总裁表示,这一技术充分利用了石墨烯高柔韧性、高灵敏度性等特点,改变了石墨烯一度只是简单替代传统材料的局面,为软硬件设计提供了充分想象空间。


值得一提的是,中国科学院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸单层石墨烯触摸屏,并正在开发系列基于石墨烯的柔性传感器件。今后手机、电脑的显示屏将超薄、超轻,可弯曲。


石墨烯另一个备受期待的贡献就是改进锂365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3性能。成会明说,简单讲,在锂365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3中加入石墨烯复合导电粉末,充电更快、容量更大、寿命更长。这有望让手机“秒冲”、电动汽车告别几小时充电成为现实。


被科学家预言将“彻底改变21世纪”的石墨烯,还有什么令人期待?


根据此次三部门印发的《意见》,未来,石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施,以及新能源、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。而石墨烯薄膜、石墨烯功能纤维的穿戴产品的开发,也让这一新材料更好地服务民生。


发展路线渐明石墨烯时代还有多远?


目前,石墨烯产业已被纳入国家战略布局。《中国制造2025》选择10大优势和战略产业实现重点突破,在首个重点领域技术路线图中,石墨烯材料成为前沿新材料的四大重点之一。“十三五”新能源汽车重点专项,也将石墨烯等新材料列为重点发展领域。


值得关注的是,中国本身就有生产石墨烯的独特优势。据统计,我国石墨矿储量占到世界总储量的75%,生产量约占世界总产量70%。目前,我国石墨烯企业已超过百家,并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业集群。


业界普遍认为,经过自主系统研发,生产技术、工艺装备和产品质量取得重大突破,我国石墨烯材料在储能器件、改性材料、智能穿戴等产品上的应用效果逐步显现,产业化步伐明显加快。我国石墨烯材料正处于从实验室走向产业化的关键时期。


把石墨烯产业打造成先导产业,国家政策指明了石墨烯产业的发展路线。业内人士认为,政策利好不断释放,石墨烯产业的发展将真正迎来春天。“2015年是我国石墨烯产业发展元年”,中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春说。


前景美好,“烯”望无限,但不得不承认,我国石墨烯产业发展仍有诸多短板亟待补齐。


中科院院士、北京大学教授刘忠范说,要实现石墨烯的“明星”应用,需要生产出低成本、高品质的石墨烯成品。“但业内人都知道,要制出这种石墨烯并非易事。我们在技术层面还有很多挑战,批量化或大尺寸生产都还没能克服”。


一些业内人士指出,欧盟在2013年初对石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”给予10亿欧元的资助,这是欧盟历史上最大的投资。而我们的投资力度还较弱,目前据公开资料还暂无政府性的石墨烯专项投资。即使是企业类投资,最大的一笔也不过5亿元。


而且,我国的石墨烯高端专业研发人才缺乏,研究力量也较为分散,亟须建立一条完整的石墨烯研发、生产、应用的全产业链,优化研究和产业化生产环境,强化分工合作共同对石墨烯的应用市场进行培育与开拓。


此外,虽然石墨烯研究应用发展迅猛,但石墨烯的研究单位和企业在石墨烯的定义、性能、制备方法等行业技术核心问题上尚未形成共识,石墨烯标准尚需进一步规范。青岛高新区节能技术与新材料事业部部长张志强等表示,石墨烯产业必须避免当年纳米技术那样一哄而上的局面,需要整个资源进行创新布局,形成聚合效应。


施建新等业内人士也认为,国家应抬高石墨烯企业的准入门槛。治理、关停一批规模小、技术落后、污染严重的企业,将优质石墨烯资源配置给有实力、有技术、有社会责任的企业,做大做强高科技龙头企业集团。


看来,石墨烯大时代的到来,除了期待还需努力!




延伸阅读

华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技...




来源:网优雇佣军(ID:hr_opt)

整理自:观察者网、世界报等


华为今日宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用,该项目合作期初定为两年,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。


石墨烯到底是个啥技术?先来看看最新的一则把中东油佬们都吓尿了的新闻。


据《世界报》消息,西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。


Graphenano公司计划于2015年将此365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3投入生产,并且计划与德国四大汽车公司中的两家(现在还不方便透露公司名称)将在本月和电动汽车进行试验。


是的,一场新的能源革命已经来了!


特斯拉董事长兼产品架构师艾伦·马斯克此前在接受英国汽车杂志《Auto Express》专访时大胆预测,电动汽车未来的续航里程有望达到约800公里。此石墨烯聚合材料365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3与汽车联合的投产问世或将引领电动汽车行业的新的续航里程。


石墨烯是世界上最薄、最硬的材料。石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此,两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。




那么,华为为啥要投资石墨烯技术呢?


石墨烯是替代硅的理想材料


石墨烯为什么这么重要?


石墨烯是由碳原子组成的单层石墨 ——最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,广泛应用于锂离子365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3电极材料、太阳能365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等方面。



石墨烯微观结构示意图




石墨烯365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3示意图


相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,研发周期也更短(微结构研发一般要3年),更适合商业推广。


硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。


但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。


因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。


石墨烯在通信领域的应用


也许有人要说,华为是做通信的,又不是卖CPU的,芯片性能强关通信什么事啊?


其实,通信产品里有大量芯片,基站设备的DSP,路由器、调制解调器、交换机、手机等产品都需要芯片,而性能更强的芯片也就意味着更强的数据处理能力,意味着更快的通讯速度。


举例来说,目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。


由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。


若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。


未来无线通信技术无疑以满足高速数据业务为主,而传统的宏蜂窝技术已经无法满足应用,必然走向宏微结合的异构网络架构,引入大量smell cell 网元以满足室内以及热点场景的覆盖和容量需求,如微站、Femto。


但随着这些网元的引入,改变了原有宏站的网络拓扑结构,产生大量新的干扰场景,必须通过引入各种站间、宏微协同等技术予以消除,比如采用协同多点传送和接收技术,但会带来各种协同算法加载后的大量复杂计算对资源的消耗,而基于石墨烯材料的基带芯片大量应用,其强悍的运算能力将使这些原本需要海量运算能力的技术和算法具有可操作性。


石墨烯也可以作为天线的材料。美国佐治亚理工学院无线宽带网络实验室提出石墨烯无线天线构想,该构想中,由石墨烯制成的天线以1000GHz的频率正常工作,远超目前常规的天线。如果这个构想成为现实,那么就意味着更多高频段的频谱资源可以被开发出来用于未来的无线通信系统,从而提供更大的系统带宽和吞吐速率。


未来,5G通信的特性就是“万物互联”,具有热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等特点——在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和 10Gbps峰值速率;具备超千亿网络连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求;在车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,为用户提 供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。


因此,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术和全频谱接入等技术就成为5G无线技术的发展方向,而这都离不开石墨烯材料的广泛应用。同时,手机要拥有更强的续航能力,更快的运算速度,更好的拍照效果,更快的上网速度,更好的屏幕显示 效果也离不开石墨烯。


新材料作为新兴产业的重要组成,也将纳入“十三五”国家战略性发展规划,而石墨烯又将被列为重点发展对象。


早前,手机巨头三星和苹果公司已经在石墨烯领域激烈竞争已经愈演愈烈。诺基亚也一直以来都在研究石墨烯,这种材料最引人瞩目的一项应用就是制作高性能超薄相机传感器(石墨烯对光线搜索的敏感度超过现在摄像机所使用的成像传感器千倍)。而诺基亚在使用石墨烯制作相机传感器方便拥有自己的专利。


华为总裁任正非很看好石墨烯。他认为,目前一些新技术新商业模式的颠覆还不足以动摇整个时代。这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。现在芯片有极限宽度,硅的极限是七纳米,已经临近边界。石墨烯已经是技术革命前沿边。可以预见的未来10到20年,这才是真正的变革。但是颠覆需要有继承性发展,不可能完全凭空出来一个小公司,然后就领导了时代脉搏。在硅时代的成功佼佼者最有希望成为石墨烯时代中的佼佼者,而且石墨烯这个新技术在世界上的发展也不是小公司能做到的。而在2014年华为年报中,华为在行业趋势展望的环节再一次着重提及了石墨烯在材料领域的价值。


石墨烯材料对手机意义重大


对于华为这几年的另一项拳头产品——手机来说,石墨烯更能带来翻天覆地的变化:


手机中有大量的芯片,比如音频芯片、视频芯片、电源管理芯片、能够获得更好拍照效果的ISP芯片、WIFI芯片、CPU、GPU、基带(某些厂商可能会将这些芯片集成为SOC)等等,如果这些芯片都使用石墨烯材料制造,那么手机芯片的性能将会大幅提升,同时功耗将大幅下降。


一直以来,智能手机的续航能力饱受诟病。如果将石墨烯用于365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3的两极,续航能力会是普通365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3的十多倍,智能手机一天一充将成为历史,充电宝也将被新技术所淘汰。如果用石墨烯制作电容装置,它的充放电速度是锂365bet安全吗_365bet评级_365bet官网3100倍——1000倍,几分钟就能完成智能手机充电。


石墨烯具有轻、薄、几乎完全透光、强度大、柔韧性好等特点,和现在的手机屏幕相比,不仅更薄、透光性更好,而且还具有更好的韧性,更不容易破损,甚至还能做成能够卷起的柔性屏幕。因此,石墨烯屏幕比现在用的屏幕拥有更好的用户体验。


石墨烯仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过,具有非常好的透光性。因此它还是优质的感光元件的制造材料,使用石墨烯制造的感光元件,不仅更薄,还更便宜——如果量产,成本仅为传统感光元件的五分之一。据新加坡一个科研团队展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比传统传感器强1000倍——在昏暗的光线环境中, 这类传感器依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。


可以想象如果华为手机采用了石墨烯技术,那么,手机将发生一次革命,正如同智能机对功能机的革命。



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主编介绍


1984年毕业于中南大学,1991年北科大管理系研究生毕业,做过大学教师,90年代赴日本工作8年。


2000年回国创业,为中国对日软件外包业务的开创者之一,曾创办华夏计算机,华阳软件等公司,曾在软通动力,感知集团,睿泰集团等公司担任高管。


曾任江苏省第十届政协委员,无锡市总商会副会长,感知中国物联网商会执行会长,无锡市归国人员创业商会会长,江苏大学校董,江南大学客座教授等社会职务。


曾获中国软件外包成就人物,江苏省青春创业风云人物,江苏省优秀中国特色社会主义事业建设者等荣誉


在软件外包,物联网,自媒体,电商等领域有一定成就和影响力。


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