從制作鉛筆芯的主要材料石墨中，能剝離出只有一層原子厚度的石墨烯。這是被譽為“黑金”的新材料，最薄卻最堅硬，可制作復(fù)合材料和涂層，主要應(yīng)用在汽車、建筑、電池、航空等領(lǐng)域。近日，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會科學(xué)技術(shù)傳播中心和北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會共同主辦的“產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)大講堂”開講，凝聚態(tài)物理學(xué)家、中科院院士高鴻鈞表示：盡管我國生產(chǎn)石墨烯的原料，即石墨的儲量占全球的41.98%，但我國的石墨烯批量化生產(chǎn)和應(yīng)用尚未實現(xiàn)，還存在技術(shù)轉(zhuǎn)化能力弱、工裝控制精度低、質(zhì)量性能波動大等問題。
2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上展示的石墨烯分子結(jié)構(gòu)。解豪攝/光明圖片
1.吸引全球近300家知名公司研究
從石墨中剝離出來的石墨烯，是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈˙蓋姆和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯被譽為“新材料之王”，是新材料領(lǐng)域的“黑金”，具有極端的物理性能，是目前世界上最薄卻也是最堅硬的納米材料。
據(jù)不完全統(tǒng)計，全球有近300家知名公司涉足石墨烯研究，如IBM、英特爾、陶氏化學(xué)、通用、杜邦等，大量的核心專利被國外高校和企業(yè)掌握著。其中，韓國三星、美國IBM、日本東芝、韓國科學(xué)技術(shù)研究所、韓國成均館大學(xué)等企業(yè)和高校具有較高的影響力。
綜合國內(nèi)外各機構(gòu)的分析結(jié)果來看，未來5年—10年將是全球石墨烯產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期，各行業(yè)對石墨烯的需求將不斷增加。石墨烯未來主要的應(yīng)用領(lǐng)域為復(fù)合材料和涂層，集中在汽車、塑料、涂層、建筑、金屬、電池、航空以及能源和儲能等領(lǐng)域。
據(jù)高鴻鈞介紹，國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究多集中在高校和中國科學(xué)院，有80多所大學(xué)和研究機構(gòu)涉足石墨烯，但國內(nèi)企業(yè)在專利數(shù)量方面遠遠落后于三星、IBM等國外企業(yè)，石墨烯研發(fā)過程中企業(yè)的主體作用亟待進一步加強。另外，國內(nèi)研究多集中于bottom-up方法制備、鋰離子電池中的應(yīng)用、石墨烯復(fù)合材料方面，但在半導(dǎo)體器件方面實力較弱，產(chǎn)業(yè)布局也需要進一步優(yōu)化。
浙江大學(xué)用石墨烯制造出“碳海綿”，可放在櫻花上，是世界上最輕的固體。龍巍攝/光明圖片
2.技術(shù)焦點從制備轉(zhuǎn)向如何使用
2010年后，全球石墨烯相關(guān)論文和專利數(shù)量呈井噴式增長。根據(jù)切薩布魯夫技術(shù)生命周期理論，石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于技術(shù)成長期，且技術(shù)演化趨勢正由石墨烯制備工藝向具體應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。
從1991年開始至今，全球共發(fā)表石墨烯相關(guān)SCI論文13.77萬篇以上。其中，中國、美國、韓國和日本發(fā)布論文數(shù)量位居全球前四名，占比分別為34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。
高鴻鈞介紹說，從1994年開始至今，全球有超過1.25萬件石墨烯相關(guān)專利。從技術(shù)原創(chuàng)國專利申請數(shù)量來看，中國、韓國、美國、日本申請的專利量位居全球前四，占比分別是50%、14%、6%和6%，中國石墨烯相關(guān)專利量具有絕對優(yōu)勢。但從各原創(chuàng)國的技術(shù)申請范圍看，韓國、美國和日本都在積極進行專利全球布局，而我國在這一領(lǐng)域的海外專利布局卻較為薄弱，亟待進一步加強。
從石墨烯專利技術(shù)申請領(lǐng)域看，2013年之前，石墨烯相關(guān)研究領(lǐng)域主要集中在制備領(lǐng)域。隨著制備技術(shù)的完善與成熟，石墨烯專利申請開始向下游應(yīng)用拓展，并開拓出新的領(lǐng)域——2013年至2015年間，全球新增大量關(guān)于復(fù)合纖維、涂層、功能薄膜、水處理等新興領(lǐng)域的石墨烯技術(shù)專利申請，其中石墨烯復(fù)合材料的專利申請幾乎翻倍，而制備技術(shù)專利的申請比例則降低。
3.點“石”成“金”還需加強產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
石墨烯產(chǎn)業(yè)上游為石墨烯資源，中游為石墨烯薄膜與粉體制作等環(huán)節(jié)，下游為石墨烯應(yīng)用環(huán)節(jié)，也是附加值更高、發(fā)展空間更廣闊的環(huán)節(jié)。
全球現(xiàn)在已探明的天然石墨儲量約為1.31億噸，儲量居前四位的國家分別為巴西、中國、印度和墨西哥，合計占全球總儲量的97.77%。其中，中國儲量約為5500萬噸，占全球儲量的41.98%。因此我國在石墨烯產(chǎn)業(yè)上具有天然的原料優(yōu)勢。
目前，我國石墨烯材料正處于從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵時期。在儲能器件、改性材料、智能穿戴等領(lǐng)域的研究及應(yīng)用已取得了重大突破。但受生產(chǎn)技術(shù)成熟度不高、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用路徑長等因素制約，石墨烯批量化生產(chǎn)和應(yīng)用尚未完全實現(xiàn)，還存在技術(shù)轉(zhuǎn)化能力弱、工裝控制精度低、質(zhì)量性能波動大、生產(chǎn)成本比較高、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域窄等問題。
據(jù)高鴻鈞介紹，國際上對石墨烯的定義是1層—2層的納米薄片才能稱之為石墨烯，而只有沒有任何缺陷的石墨烯才具備各種強大特性。然而，我國石墨烯相關(guān)技術(shù)的研發(fā)主體是大學(xué)和科研機構(gòu)，企業(yè)的研發(fā)力量薄弱且分散，而且目前國內(nèi)大多科研機構(gòu)和高校追求的是“高質(zhì)量、大面積、單層”的完美石墨烯形態(tài)，較少關(guān)注下游的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。科研與應(yīng)用之間的嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致國內(nèi)市場出現(xiàn)了重上游輕下游、重科研輕應(yīng)用的現(xiàn)象。如此一來，非常不利于石墨烯技術(shù)的跨越式發(fā)展。隨著石墨烯研究的深入發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展，這是一個擁有著巨大潛力的產(chǎn)業(yè)，但想要真正在國內(nèi)尋求產(chǎn)業(yè)突破，還要大力提升科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合的能力。
