石墨烯：當大象站在鉛筆上

錢賀進+丘美芳

如果把厚度相當于人的頭發絲直徑十萬分之一的石墨烯，疊成保鮮膜那樣厚，需要一頭大象站在一支鉛筆上所產生的壓強，才能刺破它。

這種目前已知最薄、最硬、導電導熱最好的材料，被發現短短十年來，已成為各國科學界炙手可熱的新材料。目前中國沿海多地，都雄心勃勃地籌備著自己的石墨烯產業化項目。

作為中國在該領域的最權威研究者之一，中國科學院院士、北京大學化學與分子工程學院教授劉忠范，就中國的石墨烯研究進展和產業情況接受了《瞭望東方周刊》專訪。

他認為，雖然石墨烯還處于基礎研究階段，但的確可能在能源、環境、航天、軍事等關鍵領域有廣闊發展空間，而作為碳材料研究大國的中國，石墨烯研究已走在了世界前列。

不過，劉忠范表示，目前對石墨烯前景的認識尚不明朗。

紙一樣輕薄的防彈衣

《瞭望東方周刊》：石墨烯到底是什么？

劉忠范：石墨烯是人類發現的首個二維原子晶體。首先它是世界上最薄的物質之一，僅相當于人頭發絲直徑的十萬分之一。即使如此，石墨烯卻是世界上最堅固的物質，比鋼鐵還要強韌100多倍。

從其他方面講，石墨烯的導電性、導熱性也非常良好。可以說它的出現刷新了人類對于物質世界和微觀世界的認識，也為科研工作者開辟了一片嶄新的廣闊天地。

所以在石墨烯被發現短短六年之后，也就是2010年，它的發現者就獲得了諾貝爾物理學獎，這在諾貝爾獎歷史上也是不多見的。

《瞭望東方周刊》：石墨烯具體可以用來做什么？

劉忠范：作為一種新興的納米材料，石墨烯的應用前景并不十分明朗。目前關于石墨烯的研究絕大部分仍處于實驗室的基礎研究階段，但某些應用已經初現端倪，比如距離出現在我們日常所用的電子設備中的日子不遠了。

現在柔性電子產品、可穿戴設備等概念非常流行，但手機、iPad脆弱的屏幕是短板。石墨烯擁有很好的柔韌性，可以任意彎折而不破壞性能。石墨烯還可以用作柔性電池的電極。如果這種設想實現了，那么我們的手機就薄如紙片，有iPad那么大的屏幕，不用的時候又可以折疊裝進口袋。穿戴設備的弧度也可以隨意調整，使它完全貼合身體。

另一方面，石墨烯具有非常高的化學惰性，因此可以用作某些軍工材料或設備的涂層，使它們耐腐蝕。石墨烯密度極小，又無比堅固，可以大大減輕材料重量，同時又獲得極高的機械強度。例如可制成像紙一樣輕薄的防彈衣。

如果石墨烯用在航空航天設備中，可大大減少負荷。將石墨烯作為金屬材料的添加劑，例如烯合金，會大大提高合金材料的屈服和抗拉強度，在航天領域潛在應用價值極大。

石墨烯還可以吸收微波波段的輻射，這能用于制造隱形飛機。美國NASA正在研制石墨烯的微型傳感器，并計劃用于航天過程中對氧氣含量的精確監測。

總之，希望也相信科學家們無窮的創造力，將會使這些慢慢變為現實。

正從基礎研究向產業化過渡

《瞭望東方周刊》：你對石墨烯大規模產業應用的時間有何估計？

劉忠范：至少需要5～10年。盡管未來幾年內可能會有一些石墨烯的相關產品進入大眾的視野，但距離大規模應用仍有一段路要走。

我們欣喜于石墨烯正從基礎研究向產業化過渡。比如常州、無錫等地，投資組建了我國第一個關于石墨烯研究與產業孵化機構，發布了《無錫石墨烯產業發展規劃綱要》。

如果問石墨烯可能在哪個行業最早實現產業化？較有希望的可能是觸摸屏、柔性電子器件等領域。這要綜合考慮相關技術的實現難度、制造成本、市場需求、現有技術的成熟度和不足等諸多因素。

另外，如果體相石墨烯的制造成本可降至足夠低，并且石墨烯質量能再提高的話，添加石墨烯力學增強的復合材料有望很快進入市場。

產業化是一個復雜的問題，牽涉多個層面，當然最為核心的仍是產品質量與成本。從質量上看，例如對于大面積石墨烯薄膜的應用來說，石墨烯的導電性、轉移過程中的破損與污染等因素，都制約了其應用。

對石墨烯粉體材料來說，石墨烯片層的尺寸、結晶性等有待提高。在成本上，這兩種原料的價格目前都偏高。近年來，雖然制造成本下降了一些，但成本仍有壓縮空間，這取決于能否開發出更為經濟、高效的石墨烯制備方法。

市場“虛火太旺”

《瞭望東方周刊》：當前我國對石墨烯的研究現狀如何？

劉忠范：中國一直是碳材料研究大國。過去十年，我們對石墨烯的基礎研究和應用研究都已經躋身世界前列，近年來在石墨烯領域發表論文和申請專利數量上都處于世界第一。

我們在人力、物力方面都具有極大的優勢。其次，我們國家介入石墨烯研究領域的時間較早。但也必須看到，目前我們的研究還主要是追隨國外高水平研究機構的步伐，真正原創性、突破性的進展較少。論文總數雖然世界第一，但引用數量上仍遠遠落后于美國。

《瞭望東方周刊》：有人說，目前石墨烯的市場表現“虛火太旺”，造成了市場虛假繁榮，你如何看？

劉忠范：目前看來確實是有這樣的現象。主要是現在對于石墨烯前景的認識不夠明朗，石墨烯產品還是以概念性的為主，短時間內又有大量資金注入所致。

一種革命性的新材料進入市場，都會或多或少面臨這樣的問題。但長遠看，各方性能極為優異的石墨烯，未來大有可為毋庸置疑。相信隨著與石墨烯相關知識的普及，市場認知將更為客觀，石墨烯市場將迎來良性發展的新階段。

《瞭望東方周刊》：對于加速石墨烯科研及產業化，你有什么建議？

劉忠范：首先，科研院所要將研究目標定為做出原創性的工作，而不是盲目跟風，人云亦云，更不能急功近利，重量不重質。

其次，中央和地方政府對于石墨烯的研究和產業化給予更多引導和扶持，對石墨烯產業進行統籌規劃和長遠考慮，優化石墨烯產業布局，避免產能過剩，打造石墨烯生產和應用的技術密集型產業，加大高技術含量、高附加值產品的比重，維持產業的健康有序發展。

第三，科學是無國界的，但科學家是有祖國的。一方面加強不同地區、不同國家間交流，另一方面要注重發展擁有自主知識產權的產品和技術。這樣有利于自力更生，不過度依賴國外的產品和技術。endprint