Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
劍橋大學(xué)石墨烯研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人安德烈·法拉利博士正在檢查用于原子直徑厚度材料實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。
這種物質(zhì)就是石墨烯。前不久，為了展示它的潛力，安德烈·法拉利(Andrea Ferrari)拿起一片透明塑膠，將其彎曲，然后輕擊上頭無(wú)形的按鍵，發(fā)出了叮咚作響的音樂(lè)聲。
該鍵盤(pán)由法拉利博士所在的劍橋大學(xué)(University of Cambridge)實(shí)驗(yàn)室制作，它是用石墨烯打印出來(lái)的。這種物質(zhì)柔韌性極強(qiáng)，科學(xué)家預(yù)測(cè)它將實(shí)現(xiàn)有關(guān)折疊電話(huà)和能折疊放進(jìn)口袋的電子報(bào)紙的夢(mèng)想。
它是已知的最薄的物質(zhì)，但卻又極其堅(jiān)硬、輕薄和柔韌。它在導(dǎo)電導(dǎo)熱和吸收光釋放光方面的能力超群。
科學(xué)家十年前才分離出了石墨烯這種物質(zhì)，但有些公司已經(jīng)開(kāi)始將它納入產(chǎn)品之中：Head NV去年推出了一種注入石墨烯的網(wǎng)球拍。蘋(píng)果公司(Apple Inc.)、薩博(Saab AB)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corp.)最近已經(jīng)申請(qǐng)或獲得了使用石墨烯的專(zhuān)利。
法拉利博士說(shuō)：“石墨烯就像鋼、塑料和硅一樣，是一種會(huì)真正改變社會(huì)的物質(zhì)。”他在劍橋大學(xué)帶領(lǐng)著一個(gè)約40人的石墨烯研究小組。
石墨烯也面臨著障礙。對(duì)于大眾市場(chǎng)來(lái)說(shuō)它還是太過(guò)昂貴，它無(wú)法應(yīng)用于某些電腦芯片電路中，科學(xué)家依然在試圖找出更好的方法將其變成可用的形式。英國(guó)研究公司Cambridge Intellectual Property主席昆廷·坦諾克(Quentin Tannock)說(shuō)：“石墨烯是一種利用起來(lái)很復(fù)雜的技術(shù)。尋找其價(jià)值的比賽是馬拉松而不是短跑。”
對(duì)石墨烯的興趣從2010年開(kāi)始激增，當(dāng)時(shí)有兩名研究員因分離出這種物質(zhì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。目前，行業(yè)和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們正忙著為其廣泛的潛在用途申請(qǐng)專(zhuān)利。
休斯頓萊斯大學(xué)(Rice University)石墨烯專(zhuān)家詹姆斯·托爾(James Tour)說(shuō)：“只要發(fā)現(xiàn)了什么，我就會(huì)申請(qǐng)專(zhuān)利。”
蘋(píng)果申請(qǐng)了將石墨烯用于制作移動(dòng)設(shè)備“散熱器”的專(zhuān)利。薩博申請(qǐng)了為飛機(jī)機(jī)翼除冰的石墨烯加熱電路的專(zhuān)利。洛克希德·馬丁今年獲得了美國(guó)政府頒發(fā)的利用微型孔隙從海水中過(guò)濾鹽分的石墨烯薄膜的專(zhuān)利。
還有的公司申請(qǐng)了將石墨烯用于電腦芯片、電池、彈性觸摸屏、防銹涂層、DNA序列分析設(shè)備以及輪胎的專(zhuān)利。英國(guó)的一群科學(xué)家已經(jīng)將石墨烯薄膜用于蒸餾伏特加。
Cambridge Intellectual說(shuō)，截至今年5月，全球共有9,218項(xiàng)公開(kāi)的石墨烯專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)，較一年前增長(zhǎng)19%。該機(jī)構(gòu)表示，在過(guò)去五年中，石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)累計(jì)數(shù)量增加了五倍多。
Cambridge Intellectual的主席坦諾克說(shuō)：“這是一場(chǎng)圈地運(yùn)動(dòng)。”他說(shuō)，對(duì)每一項(xiàng)研究成果都申請(qǐng)專(zhuān)利，“你就可以選擇在以后起訴你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，制止他們的研究和使用”。他說(shuō)，許多石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)看起來(lái)都是合法的，但有些只是推測(cè)性質(zhì)，有些則可能是誤導(dǎo)對(duì)手的誘餌。
Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
“一有發(fā)現(xiàn)，我就會(huì)申請(qǐng)專(zhuān)利。”圖中手持圓盤(pán)的這位石墨烯專(zhuān)家說(shuō)道。
石墨烯短期內(nèi)最有可能應(yīng)用于高速電子設(shè)備以及與法拉利博士的鍵盤(pán)一樣的彈性電路，因?yàn)闀?huì)有對(duì)彈性電子顯示屏使用的需求。韓國(guó)三星電子公司(Samsung Electronics Co.)和芬蘭諾基亞公司(Nokia Corp.)等公司已經(jīng)申請(qǐng)了石墨烯在移動(dòng)設(shè)備中各種用途的專(zhuān)利。
最熱門(mén)的領(lǐng)域是用于制造電路的石墨烯墨水，一些公司已經(jīng)開(kāi)始銷(xiāo)售這種產(chǎn)品。法拉利博士的實(shí)驗(yàn)室去年申請(qǐng)了一種可用噴墨打印機(jī)打印的石墨烯墨水的專(zhuān)利。巴斯夫(BASF SE)正在實(shí)驗(yàn)用石墨烯墨水打印彈性電路，安裝在可加熱汽車(chē)座椅的墊襯內(nèi)，該公司表示這種技術(shù)將會(huì)在未來(lái)幾年進(jìn)入市場(chǎng)。
巴斯夫石墨烯研究團(tuán)隊(duì)主管馬蒂亞斯·施瓦布(Matthias Schwab)說(shuō)，“石墨烯結(jié)合了各種不同的效用”，這讓它變得很與眾不同，“沒(méi)有其他哪種物質(zhì)可以做到這點(diǎn)”。
實(shí)際上，石墨烯只有兩個(gè)維度，微觀結(jié)構(gòu)很像鐵絲網(wǎng)。在五年前發(fā)表的一項(xiàng)研究中，哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)的研究員總結(jié)說(shuō)，石墨烯是可測(cè)量的硬度最強(qiáng)的物質(zhì)。他們計(jì)算出，需要一頭大象站在鉛筆末端才能刺破一片保鮮膜厚度的石墨烯。
石墨烯可吸收和釋放的光的波長(zhǎng)范圍比任何已知的物質(zhì)都大。它的導(dǎo)電性能比硅強(qiáng)得多。和易碎的硅不同，石墨烯柔韌性好、可伸縮。
石墨烯電路最終有望比銅和銀等傳導(dǎo)材料更便宜，因?yàn)樗梢杂墒?mdash;—普通鉛筆芯的主要成分——制成，而且也可以由一定量的氣體和金屬混合制成，或由固體碳源合成。
萊斯大學(xué)的托爾博士在2011年展示了石墨烯可以用各種不同的碳源合成，包括草、女童子軍曲奇餅干和蟑螂腿。
托爾博士的實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)了多項(xiàng)石墨烯專(zhuān)利，包括增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的石墨烯條，他說(shuō)其強(qiáng)度可用于制造高壓天然氣罐，這種氣罐可以直接在汽車(chē)內(nèi)鑄模。他說(shuō)，快速申請(qǐng)專(zhuān)利“讓我們?cè)谶@種技術(shù)中有了一席之地”。
其中一個(gè)拖石墨烯后腿的因素是成本。有些美國(guó)供應(yīng)商將銅箔上的石墨烯薄膜定價(jià)為每平方英寸60美元左右。德國(guó)Aixtron SE劍橋分公司總監(jiān)肯尼斯·泰奧(Kenneth Teo)估計(jì)：“像高速晶體管這樣的高端電子應(yīng)用應(yīng)該在每平方英寸一美元左右，觸摸顯示屏應(yīng)該每平方英寸低于10美分。”該公司專(zhuān)門(mén)制造生產(chǎn)石墨烯的機(jī)器。
通常石墨烯必須與其他材料相結(jié)合才能開(kāi)發(fā)其屬性，科學(xué)家們依然在嘗試如何才能有效地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
石墨烯也有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：不容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性。IBM公司(International Business Machines Corp)最初對(duì)將石墨烯用于電腦芯片非常樂(lè)觀，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)由于電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度太快，不容易關(guān)掉，因此很難將電流轉(zhuǎn)換為“1”和“0”的數(shù)字碼。
全球的實(shí)驗(yàn)室都在試圖解決這個(gè)問(wèn)題。但I(xiàn)BM研究部門(mén)物理科學(xué)負(fù)責(zé)人蘇普拉蒂克·古哈(Supratik Guha)說(shuō)，目前為止，“我們并沒(méi)有看到微處理器中的硅被石墨烯所取代”。他說(shuō)他依然是石墨烯的強(qiáng)力支持者。IBM也是申請(qǐng)石墨烯相關(guān)專(zhuān)利的大戶(hù)。
許多材料曾經(jīng)受到熱捧，但后來(lái)都未能實(shí)至名歸。石墨烯也有可能面臨這種命運(yùn)。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)在1987年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，產(chǎn)生了大批專(zhuān)利，人們也紛紛預(yù)測(cè)包括磁懸浮高速列車(chē)在內(nèi)的各類(lèi)技術(shù)的出現(xiàn)。如今世界依然在等待。
但這并不影響科學(xué)家們對(duì)石墨烯的極大熱情。據(jù)湯森路透(Thomson Reuters)期刊索引庫(kù)Web of Science統(tǒng)計(jì)，2012年，科學(xué)家發(fā)表的有關(guān)石墨烯的論文較2011年增加了45%。
這是一場(chǎng)全球競(jìng)賽：Cambridge Intellectual說(shuō)，截至今年5月，累積申請(qǐng)石墨烯專(zhuān)利最多的是中國(guó)，美國(guó)和韓國(guó)緊隨其后。三星申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)最多，接下來(lái)是IBM和韓國(guó)首爾成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University)。
實(shí)驗(yàn)室里或許是天馬行空，但有些專(zhuān)利已經(jīng)被應(yīng)用到了產(chǎn)品中。馬里蘭州杰瑟普(Jessup)的Vorbeck Materials Corp.公司生產(chǎn)了一種石墨烯墨水，該公司稱(chēng)這種墨水如今被幾家美國(guó)商店用來(lái)打印用于防盜包裝的電路。該公司拒絕透露這些商店的名稱(chēng)。
Head公司申請(qǐng)了一項(xiàng)可將石墨烯用于包括高爾夫球棒和滑雪板固定裝置在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)裝備的專(zhuān)利，其網(wǎng)球拍就是一例應(yīng)用。公司一位代表建議問(wèn)詢(xún)記者參閱公司網(wǎng)站。網(wǎng)站說(shuō)由于石墨烯強(qiáng)度較大，因此球拍的用料會(huì)較少，設(shè)計(jì)師可以重新安排重量分布以增強(qiáng)球拍力量。
紐約州沃平杰斯福爾斯(Wappingers Falls)初創(chuàng)公司Bluestone Global Tech Ltd.生產(chǎn)的石墨烯片據(jù)說(shuō)會(huì)發(fā)貨給來(lái)自美國(guó)、新加坡和中國(guó)的客戶(hù)。該公司首席執(zhí)行長(zhǎng)Chung-Ping Lai預(yù)測(cè)說(shuō)：“半年內(nèi)石墨烯將會(huì)應(yīng)用于可投入商業(yè)使用的手機(jī)的觸摸屏。”
在2003年以前，這種對(duì)石墨烯的追捧是不可想象的，當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家認(rèn)為原子直徑厚度的任何物質(zhì)都不可能不會(huì)分崩離析。
當(dāng)年，安德烈·海姆(Andre Geim)偶然發(fā)現(xiàn)了石墨烯的奇妙特性。他是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)的科學(xué)家，出生在俄羅斯。他想用很薄的石墨烯來(lái)研究其電子屬性。一名博士生建議使用透明膠帶。
海姆博士和他的同事們用膠帶從石墨上剝離出薄片，直到獲得薄至透明的石墨層。直到無(wú)法再剝離時(shí)，就獲得了石墨烯。石墨烯層不但沒(méi)有破碎，反而強(qiáng)度很大、有彈性，而且擁有非凡的電子屬性。
其他科學(xué)家最初表示懷疑。海姆博士說(shuō)：“沒(méi)有多少人相信我們。”但是據(jù)劍橋大學(xué)的法拉利博士回憶，到2006年3月，當(dāng)海姆博士在巴爾的摩一場(chǎng)會(huì)議中作報(bào)告時(shí)，會(huì)場(chǎng)已是座無(wú)虛席。他說(shuō)：“終于，我明白了這種物質(zhì)的重要性。”
2010年，海姆博士和他的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因?yàn)槭┓矫娴呢暙I(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)，各企業(yè)實(shí)驗(yàn)室、萊斯和哈佛等大學(xué)、以及中國(guó)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始加大石墨烯的研究。2010年，日本和韓國(guó)科學(xué)家公布了石墨烯觸摸屏原型機(jī)。
三星和韓國(guó)成均館大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室因其研究力度尤為引人注目。成均館大學(xué)石墨烯研究員Changgu Lee說(shuō)：“雖然石墨烯的基礎(chǔ)研究始于歐洲和美國(guó)，但商業(yè)應(yīng)用的早期研究始于韓國(guó)。我們想保持領(lǐng)先。”
三星發(fā)言人拒絕就公司在石墨烯方面的研究置評(píng)。
對(duì)石墨烯表現(xiàn)出興趣的還有美國(guó)軍方。2011年年末，位于馬里蘭州艾德菲(Adelphi)的美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S. Army Research Laboratory)與波士頓的東北大學(xué)(Northeastern University)簽署了一項(xiàng)研究石墨烯屬性的協(xié)議，資金主要來(lái)自美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)Darpa)30萬(wàn)美元的撥款。
東北大學(xué)物理學(xué)教授斯里尼瓦斯·斯里達(dá)爾(Srinivas Sridhar)說(shuō)，該大學(xué)計(jì)劃用石墨烯設(shè)計(jì)更好的夜視鏡及其他探測(cè)器。Darpa的一位代表在電子郵件中證實(shí)了該項(xiàng)目。
今年夏天，通過(guò)參觀法拉利博士的實(shí)驗(yàn)室，記者初步了解到了石墨烯研究的情況。他的同事費(fèi)利切·托里西(Felice Torrisi)展示了膠帶從一塊石墨上剝離石墨烯的過(guò)程。托里西博士說(shuō)，“這種規(guī)模顯然不足以應(yīng)用于”工業(yè)用途。
這說(shuō)明了石墨烯競(jìng)賽中的一個(gè)重大目標(biāo)：尋找生產(chǎn)的最佳方法。大量專(zhuān)利申請(qǐng)都描述了制造石墨烯的方法。
接著托里西博士拿起一小瓶裝有石墨烯和水的墨水。旁邊的噴墨打印機(jī)滋滋作響，將墨水印在一片塑料薄片上，形成一個(gè)近乎不可見(jiàn)的電路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士輕擊鍵盤(pán)后附帶的電子儀器會(huì)發(fā)出音樂(lè)聲的關(guān)鍵。
在其他的劍橋?qū)嶒?yàn)室里，研究員們展示了一個(gè)石墨烯激光器的早期原型機(jī)，這款激光器可以發(fā)射出超速光脈沖和石墨烯傳感器，能夠探測(cè)到任何波長(zhǎng)的光。
石墨烯的導(dǎo)熱屬性顯然是蘋(píng)果一項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)的核心。這項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)包括“可攜帶電子設(shè)備”元件背后的石墨烯“散熱器”的樣圖。蘋(píng)果發(fā)言人拒絕置評(píng)。
薩博希望利用石墨烯的輕薄和傳導(dǎo)性能，將其植入機(jī)翼用于除冰。薩博航空設(shè)備部門(mén)負(fù)責(zé)未來(lái)產(chǎn)品的馬茨·帕爾姆貝里(Mats Palmberg)說(shuō)，這項(xiàng)研究還在初級(jí)階段，“但它肯定是我們推出飛行應(yīng)用計(jì)劃的一部分”。
洛克希德在新聞稿中說(shuō)預(yù)計(jì)其石墨烯薄膜能夠“更有效地進(jìn)行海水淡化”，而成本只會(huì)是目前技術(shù)的很小一部分。
諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)吆Ｄ凡┦空f(shuō)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)還導(dǎo)致科學(xué)家開(kāi)始研究其他大量擁有特殊屬性、具有二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。他說(shuō)：“石墨烯打開(kāi)了一個(gè)我們不知道的物質(zhì)世界。”
