石墨烯的應用開發與廣闊前景

紀屏

國家主席習近平今年訪英期間，參觀了曼徹斯特大學國家石墨烯研究院，他肯定該院在石墨烯領域的研究實力和國際影響力，并指出，在當前新一輪產業升級和科技革命大背景下，新材料產業必將成為未來高新技術產業發展的基石和先導，對全球經濟、科技、環境等各個領域發展產生深刻影響。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一。中英在石墨烯研究領域完全可以實現“強強聯合”，雙方受益。

一、什么是“石墨烯”

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發絲那么厚。它是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞·諾沃謝夫和安德烈·蓋姆小組首先發現的。石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結構非常特殊，必須用相對論量子物理學才能描繪。石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。

這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

二、石墨烯的應用與前景

石墨烯作為21世紀最具應用前景的發明之一，對于它的一系列發明創造，不僅為其商業化拓寬了渠道，也令這一概念在資本市場持續保持著相當的“溫度”。

石墨烯主要應用領域包括電子、生物醫療、軍工、精密制造業、化工業。有專家表示，石墨烯在電子器件、光學器件、柔性電子、輕型功能部件、先進電池等領域具有重要應用前景，并有望對電子信息等多個產業產生重大影響。歐洲正是意識到石墨烯的戰略重要性，才著力推進石墨烯的商業化進程。

從石墨烯的應用前景來看，采用石墨烯技術新產品的例子包括高速、柔性、牢固的電子消費品，更輕、更節能的飛機。從更長遠的角度來看，預計石墨烯將引起新的計算技術范式和人造視網膜這樣的革命性醫學應用。據研究人員預計，首個石墨烯觸摸屏設備將在3-5年內上市。鑒于采用石墨烯制成的觸摸屏設備持久耐用，這將開啟柔性電子的新途徑，即可卷曲的電子紙是另一項應用，可在2015年研發出樣品。

三、石墨烯中國力量正在崛起

據波士頓的Lux研究公司報道，中國已經在碳納米管和石墨烯的研究制造中處于全球領先地位。Lux預測全球石墨烯的plaflet和碳納米管市場需求在2018年時分別為1520噸和2016噸。然而，僅中國的供應量就足以供應直到2016年的全球石墨烯nanoplatlet需求；Lux認為，隨著石墨烯和碳納米管nanoplatlets的產能增加，以及產能利用率的提高，未來其價格將繼續下降，同時會擠壓納米材料的利潤率。

中國已經成為全球石墨烯的出版物領先者，專利數量居全球第二名；其碳納米管制造可能占到了全球的50%。另根據Lux的觀察，雖然石墨烯的工藝和制造技術仍顯落后，但是中國正在迅速追趕，主要體現在快速的增長率。

中國在石墨烯制造方面有一個亮點，是Sixth Element與寧波的Morsh，其在石墨烯的nanopetlets制造方面，已經具備超過美國的能力。

據Lux數據，2014年中國國內的石墨烯和碳納米管市場分別達到2240萬美元和4840萬美元，主要驅動力來自鋰離子電池和新的應用，如涂料和熱耗散材料等。

中國在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個方向上也在進行積極探索。石墨烯觸摸屏的研發方面，常州二維碳素科技公司的研發團隊已突破了石墨烯薄膜應用于中小尺寸手機的觸摸工藝，實現了石墨烯薄膜材料和現有ITO模組工藝線的對接。

10月23日，中國華為宣布與曼徹斯特大學進行共同開發ICT領域的下一代高性能技術的合作研究，該項目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用于消費電子產品和移動通信設備。

10月27日，四川省巴中市在位于川陜交界的南江縣上兩廟坪發現新的高品位石墨礦點，初步測算南江石墨礦物量在1000萬噸以上。

2015中國國際石墨烯創新大會于10月28日至30日召開。由諾貝爾獎得主安德烈-蓋姆領銜的多位專家，就石墨烯在環保、鋰電池、可穿戴等領域的應用前景展開了深入探討。

資料顯示，截至目前，中國石墨烯企業已超過100家，已居全球領先地位。此次大會的召開，提升了社會各界對石墨烯及其應用的認識。目前，產業發展勢頭良好，技術不斷突破、軍用民用領域迅速拓展，石墨烯產業化提速明顯。

石墨烯可預見的發展空間全球大約1000億美元，國內400億元，一旦產業化應用技術進一步突破，未來無可限量。