中國儲能網(wǎng)訊：世上最硬卻反之一觸即碎
新物質(zhì)元素的出現(xiàn)是可以導(dǎo)致科技劇變的標(biāo)志，在技術(shù)革命時代，任何一個有可能顛覆人們觀念的材料、組合或者化學(xué)反應(yīng)都將讓一批又一批探路者為之付出和興奮。石墨烯，一種由碳原子組成的新材料，在2010年被評為諾貝爾物理學(xué)獎后，這一導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，對于諸多行業(yè)的影響都極大，而這一納米導(dǎo)體會影響怎樣的產(chǎn)品變化呢，科學(xué)家在花費(fèi)10億歐元的同時，注定必須要打通一些瓶頸，這背后的各種可能性，究竟是什么?
歐盟委員會于今年1月批準(zhǔn)了石墨烯旗艦項目。此前，石墨烯研究已經(jīng)是世界上規(guī)模最大的材料科研項目，總計有數(shù)百名來自歐洲17個國家的科學(xué)家參與。在旗艦項目于11月25日提交進(jìn)一步的項目提案后，石墨烯研究必將進(jìn)一步擴(kuò)大。
石墨烯：更透明顯示屏技術(shù)瓶頸分析
石墨烯是當(dāng)前人類制造出的最薄、最硬的納米物質(zhì)：一薄片碳原子以六邊蜂窩型呈現(xiàn)，堅硬如金剛石，其強(qiáng)度是鐵的數(shù)百倍。但與此同時卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內(nèi)環(huán)境下傳輸電流，其速度超過任何已知的導(dǎo)體材料。此外，它還能將任意波長的光轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來后，研究者針對它潛在的用途提出了多種設(shè)想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，新型電池以及可開發(fā)的更多產(chǎn)品。
因此，業(yè)界提出針對石墨烯開展技術(shù)革新。該觀點于2011年首次提出，旨在促成一項由多國共同推動的“石墨烯旗艦技術(shù)”項目。該項目時長10年，總投入為10億歐元(約合13.5億美元)，歐洲各國共同努力將石墨烯從實驗室引領(lǐng)到工業(yè)領(lǐng)域。除此外，為了彌補(bǔ)石墨烯的缺陷，旗艦項目還將研究超過12種原子超薄材料，與石墨烯搭配使用。
近來最新的兩項研究似乎對石墨烯而言不是很好的消息。其一，布朗大學(xué)的生物學(xué)者、工程師和材料科學(xué)家團(tuán)隊檢測了這種材料對于人體細(xì)胞的潛在毒性。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強(qiáng)勁，能夠輕易穿刺入人類皮膚以及免疫細(xì)胞的細(xì)胞膜。石墨烯的可利用性，在近期再次被質(zhì)疑。
全球首個全碳等離子激光器問世
澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家日前撰文稱，他們研發(fā)出了全球首個完全由碳基材料制成的等離子激光器。該技術(shù)有望在提高運(yùn)行速度的同時，徹底改變電子產(chǎn)品的外形。未來，如名片般輕薄柔軟的手機(jī)甚至能被直接印制在衣服上。
負(fù)責(zé)此項研究的莫納什大學(xué)電子和計算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)院(ECSE)博士蓋魯帕辛哈稱，與半導(dǎo)體等離子激光器相比，碳基等離子激光器還將提供更多優(yōu)勢。
蓋魯帕辛哈說：“目前傳統(tǒng)的等離子激光器大部分由金、銀等金屬納米顆粒和半導(dǎo)體量子點制成，而我們的設(shè)備則由石墨烯諧振器和碳納米管增益元件組成。使用碳意味著，這種激光器的效率更高、更柔軟便攜，能夠在高溫下工作，并且更加環(huán)保。
但有一些人質(zhì)疑該項目對于石墨烯的期望是不是過大，這種跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動技術(shù)革新的最有效方法?國外納米專家表示：“這種方法并不能真正推動產(chǎn)品革新?！贝送?，一些參與項目的研究者擔(dān)憂：在未來幾年中，政治力量會壓過本應(yīng)處于最優(yōu)先位置的科研活動，控制本就分散的資金來源。說白了，就是不能給你白花錢。
不過，由于對旗艦項目的未來充滿信心，各國政府與包括諾基亞和空客公司在內(nèi)的行業(yè)合作伙伴將共同提供項目所需的一半資金，而歐盟委員會將提供另一半資金。旗艦項目負(fù)責(zé)人說：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學(xué)技術(shù)將成為主流。正如當(dāng)下我們廣泛地將聚合物、半導(dǎo)體技術(shù)以及制陶術(shù)應(yīng)用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會如此?！?
旗艦項目被細(xì)分為16項研究內(nèi)容，其中大部分項目著眼于提升石墨烯在實際生活中的應(yīng)用，例如高頻電子、傳感器以及能量儲存。在項目啟動階段投入5400萬歐元后，該項目進(jìn)一步的研究提案總價值達(dá)900萬歐元，預(yù)計于2016年年底前開發(fā)出第一批技術(shù)原型。
產(chǎn)業(yè)行動
目前旗艦項目的前端公司，一年石墨烯產(chǎn)量為差不多15平方米。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來，提高了石墨烯的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。
但是，諾基亞公司傳感器負(fù)責(zé)人說：“盡管前端公司作出了努力，石墨烯的生產(chǎn)過程仍然非常復(fù)雜，將石墨烯添加到基片上難度很大?！逼炫烅椖康哪康氖蔷珶捇瘜W(xué)氣相沉積(cvd)過程，并對備選生產(chǎn)方法進(jìn)行改良。
此外，問題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉(zhuǎn)移到新的基片上。例如，當(dāng)把石墨烯安置在硅片上時，硅片會起褶皺。一個解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅固、防護(hù)能力更強(qiáng)的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時候已經(jīng)開始了小規(guī)模嘗試。但是要找到一項實用的生產(chǎn)方法仍然有很長的一段路要走。石墨烯從出生至今，想要獲得更大空間，則需要一次徹底的突破?！?
盡管在制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，但有人指出石墨烯已經(jīng)對市場造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強(qiáng)化網(wǎng)球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導(dǎo)性回路，馬里蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應(yīng)用于反盜竊包裝中。
優(yōu)勢變成致命缺陷
然而，在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯最突出的優(yōu)點卻成為其最致命的缺點。原則上，石墨烯內(nèi)部具有極高流動性的電子使其能夠以極高的速率處理數(shù)據(jù)，一些石墨烯器件的數(shù)據(jù)處理速度已達(dá)到400千兆赫，是硅器件的數(shù)倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開始傳輸數(shù)據(jù)則很難再把它關(guān)掉，這嚴(yán)重妨礙了邏輯運(yùn)算的進(jìn)行，因為邏輯運(yùn)算的所有問題都是開與關(guān)的問題。
如果將其他材料摻雜進(jìn)石墨烯，這會降低電子的流動速度。因此，研究者正嘗試調(diào)和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料相結(jié)合，或者以二硫化鉬和鎢聯(lián)硒化物為材料制造晶體管。總之，直接利用的難度現(xiàn)在來看是巨大的。
國外某科技公司認(rèn)為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長的路要走?！俺钦嬗袕?qiáng)有力的理由，否則沒有人會放棄硅。”近期，石墨烯晶體管最大的賣點可能在于它能在多種電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的特點，而不是其開通或者關(guān)閉的能力。石墨烯的應(yīng)用范圍包括，用于探測環(huán)境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機(jī)內(nèi)部的信號發(fā)送器和接收器。
但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應(yīng)用于實際用途中，技術(shù)還面臨著巨大挑戰(zhàn)。大型號石墨烯的制造工藝非常復(fù)雜且十分昂貴，經(jīng)常使得碳原子破裂或撕裂，無法與實驗室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質(zhì)量過關(guān)，目前既沒有先進(jìn)的工業(yè)手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒有技術(shù)將它與其他物質(zhì)結(jié)合從而生產(chǎn)出有用的產(chǎn)品。除此之外，它還有一個最大的弱點：雖然石墨烯中的電子流動性極強(qiáng)，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開關(guān)切換活動，而這是數(shù)字電子技術(shù)的核心要求。
總結(jié)：中國自石墨烯出現(xiàn)至今，其實一直在做著大量的研發(fā)和實驗工作，理論性的東西雖然不多，但三星之前已經(jīng)表示，中國當(dāng)前的石墨烯生產(chǎn)能力已經(jīng)成為全球的領(lǐng)頭羊，中國企業(yè)加入全球供過于求的石墨烯市場，中國已在石墨烯的研究與制造方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢，從而帶動了價格下滑以及造成利潤侵蝕，甚至可能導(dǎo)致這一興起中的產(chǎn)業(yè)重新洗牌。
