尋找石墨烯的不可替代性
——訪東華大學材料科學與工程學院副院長王宏志教授

文‖ 上海國資記者 陳怡璇

尋找石墨烯的不可替代性
——訪東華大學材料科學與工程學院副院長王宏志教授

文‖ 上海國資記者 陳怡璇

真正制約石墨烯大規模產業化的原因不是成本，而是找到石墨烯具備不可替代特性的細分領域

2015年1月6日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室、材料學院王宏志教授帶領的先進功能材料研究團隊，成功研制出智能可穿戴低維材料，即“基于折紙技術的石墨烯自折疊驅動裝置”，該研究成果發表在《Science》子刊《Science Advances》雜志。同日，國際兩大權威學術雜志《Nature》、《Science》網站著重報道了該項研究成果，國際學界給予高度評價。

“石墨烯是一個明星材料，但任何新型材料的應用必須要有相關產品方案的落地。就目前而言，號稱‘全能選手’的石墨烯在已有產品領域還不具備明顯的不可替代性和競爭優勢，石墨烯產業鏈缺乏下游需求的對接。我們實驗室則試圖借助石墨烯柔性的特征，在未來智能服裝和電子皮膚等領域打造石墨烯的不可替代性。”王宏志對《上海國資》表示。

石墨烯有什么作用？

《上海國資》：請介紹纖維材料改性國家重點實驗室的團隊情況？

王宏志：纖維材料改性國家重點實驗室是1992年立項建設，作為國內纖維及紡織領域重要的國家級科研基地。目前實驗室現有固定人員50余名，研究方向包括高性能纖維及復合材料研究、功能化纖維和低維材料研究、環境友好和生物纖維材料研究。

2005年我從日本回國之后便成立了目前所帶領的課題組，即“先進功能材料課題組”，包括教師4名，博士碩士40多名學生。2009年課題組就已經開展石墨烯研究工作，而目前課題組中約三分之一人員在做石墨烯方面的研究。

《上海國資》：您所帶領的課題組在對石墨烯研究方面經歷了哪些階段？

王宏志：在2010年安德烈獲得諾貝爾獎之前，很多高校和研究機構均已設立各自實驗室開展有關碳材料的研發，但多數人主要集中在單壁碳管和多壁碳管等領域，其中部分研究碳管的研究人員逐漸轉而研究石墨烯，我們課題組也是轉變較早的一批團隊。

從2009年開始，我們一直關注的是石墨烯的微觀研究，即把石墨烯分散在溶液之中，并不是把石墨烯制成宏觀材料作為可單獨呈現的研究對象。當時我們認為石墨烯僅是一種前沿材料，并不會有實體應用的出現。然而2012年，我們對石墨烯研究方式開始轉變，這源于當年我前往參觀常州江南石墨烯研究院所留下的深刻印象。

常州江南石墨烯研究院成立于2011年9月，已擁有兩家上市公司，包括常州二維碳素材料科技有限責任公司和常州第六元素材料科技股份有限公司。2012年，江南石墨烯研究院已推出一些看得見的產品，例如它將石墨烯制作成透明導電膜、石墨烯三維泡沫等，用于觸摸屏和環境吸附。

這意味著產品的實際應用已經很接近了，而不再停留在過去研究單片石墨烯或者石墨烯溶液中的基本物理化學性質。因此，我們從2012年開始大量投入人力研究石墨烯的應有構建。

從“全能選手”到“單項冠軍”

《上海國資》：從諾獎頒布至今，資本對石墨烯趨之若鶩，但石墨烯依然沒有大規模具體應用的出現，原因是什么？

王宏志：很多專家或許將其歸結為石墨烯成本過高，但我認為并非如此，成本對科技成果的研發從來都不是問題。就像電腦芯片的研發過去也十分高昂，但現在已經可以進入每一個人的手機終端內。而且目前石墨烯材料已經很便宜，一些品種的石墨烯甚至幾塊錢就可以買到一克。由于石墨烯很輕，單層碳分子結構使其表面積很大，1克就能呈現很大的體積，而且未來石墨烯的生產成本將會繼續下降。

實際上，真正制約石墨烯大規模產業化的原因不是成本，而是尚未找到石墨烯具備不可替代的細分領域。

《上海國資》：它與任何材料相比，都不具備顯著優勢？

王宏志：石墨烯在理論上具有非常高的導電、導熱特性，也具有非常高的力學性能和光學透過率，這也是其能引起廣泛關注的原因。但到目前為止，規模化制備的石墨烯的性能和理論值相比，仍有相當大的距離。有些人稱石墨烯是萬金油，哪兒都能用。但我認為石墨烯可能是“全能選手”，但在應用終端，到目前為止還不是“單項冠軍”。從已有的應用嘗試看，在多數細分領域石墨烯都有強勁的競爭對手。

例如，理論上石墨烯具有非常好的透明導電性能，但目前用石墨烯制備的透明導電膜的綜合性能還不能和已經廣泛應用的導電氧化物，如ITO和FTO相比，因此其應用受到了極大限制。

西班牙的一家公司宣布研制出的石墨烯聚合物電池充電八分鐘可以行使1000公里，但并未見可靠的科學報道。石墨烯在儲能領域的應用仍處在與傳統碳材料的競爭中。

在散熱領域，石墨烯需要找到發揮其優勢的高端應用，而不是與現有材料拼成本。

盡管如此，還不能斷言石墨烯在這些領域就沒有了優勢，事物都是發展的，石墨烯改性、以及基于石墨烯的構筑等研究也都在不斷的進步中，在許多領域的優勢也許還沒有顯現。

《上海國資》：您認為目前石墨烯最有可能具備發展前景的領域是什么？

王宏志：我們希望能找到獨特的運用。石墨烯是典型的二維材料，天然具備柔性，這是石墨烯的特長。因此，我們希望與服裝紡織相結合。從服用材料的發展演變看，從最初的獸皮、棉麻，直至18世紀人工合成化纖的出現，解決了棉麻產量不高的局限。我們一直在思考五十年后人類的服裝將發生什么變化，大家產生的共識是智能服裝。

例如冬天房屋內熱，屋外寒冷，衣服頻繁穿戴容易使人著涼，而且繁瑣，能否找到一種材料可以使我們的衣服根據環境溫度的變化自動進行溫度調節，或許，石墨烯的加入可以發揮特殊的功效。因此，在紡織行業石墨烯最具發展前景的領域可能是智能服裝，而不是普通衣物。在這類新興的領域，目前很難找到同時具備柔性、導電、對多種刺激有感應的材料，與服裝結合是一個方向。但只有尋找到石墨烯獨特的功能和不可替代性時，市場才會打開。

此外，2014年我們實驗室開展了石墨烯電子皮膚項目的相關研究，這種皮膚可用在機器人的皮膚傳感上。例如，今年日本軟銀推出了人型家庭機器人，可與人類進行握手、擁抱等感情交流。另一方面，這種電子皮膚如果用于可穿戴產品上，將可以實現探測人體生命體征的功能，例如心跳、血壓、汗液以及淚液中的蛋白等健康指標的檢測。如果將這種電子皮膚貼于我們的皮膚上，可通過測量血液溫度變化來了解血液含氧量；貼在大腦皮膚上，則可實時監測腦電波的變化，從而解決在不影響日常生活的情況下人體體征的實時監測的難題，為移動醫療的發展提供可行性的解決方案。

目前很多電子皮膚需要外接電源，但我們利用石墨烯優異的導電性能，不需要外界電源，在兩層石墨烯之間增加一層壓電層，其中充入聚合物，有外界壓力的時候會產生電壓，可以測量壓力大小。

由于單片石墨烯具備透明、柔性、導電性的功能，未來亦可運用到柔性手機的手機膜上，即可彎曲手機。但目前配套可彎曲的電子產品較少，在已實現可彎曲的電子屏幕中，彎曲程度有限，且不可拉伸，利用石墨烯柔性的特點可以推動這類產品的更新。

《上海國資》：此次自折疊技術將對未來石墨烯產品的落地帶來哪些影響？

王宏志：我們對石墨烯表面進行改性，讓石墨烯薄膜的一面特別親水，另一面疏水。通過控制納米層間由溫度或光控制的水分子的吸附與脫附，使石墨烯紙可以迅速（3秒以內）折疊成預設的形狀。利用石墨烯片的褶皺和形變，可以設計多種致動器件。我們的這次成果直觀展示了宏觀層面上石墨烯的折疊性質，而被《Nature》稱為是石墨烯單片折疊之路上的重要里程碑。

石墨烯可以根據外界光照和溫度發生形變，也啟發我們，石墨烯可運用到變形衣上，即衣服孔隙可以根據溫度自行變化，溫度較高時孔隙擴大，用于排汗；溫度低時孔隙縮小，利于保暖，這在士兵、運動員、消防員等人群的服裝上可能會有比較好的應用。

最后的成功屬于堅持下來的企業

《上海國資》：國內各地石墨烯發展的階段如何？

王宏志：目前很多專家研發石墨烯改性和構筑技術，且產業界和投資界對石墨烯引起的產業革新非常期待。但目前石墨烯的產業化大部分還停留在生產石墨烯粉體、售賣原材料的階段，石墨烯產業鏈尚不完整，下游的需求也不確定。

但也不要因為目前石墨烯未能得到大規模使用而對其失去信心。石墨烯近幾年才開始研發，功能開發尚不完全，這個材料具有獨特的優點，只不過目前行業認識還不夠深入，優良性能還未能全面展現，石墨烯不會永遠停留在目前這種研發階段。我們的工作就是嘗試石墨烯應用的各種可能性，為今后產業化發展打通道路。

以液晶材料為例，1960年代就已經出現，企業也已經意識到可以用于顯示屏，日本很多企業在60、70年代做液晶顯示的研究，但只有夏普在1999年推出液晶電視，這意味著最后的成功屬于堅持下來的企業。

《上海國資》：纖維改性國家重點實驗室是如何將科研成果對接市場的？

王宏志：纖維材料改性國家重點實驗室的研究可分為兩類，即基礎研究和應用研究，前者開展前瞻性研究，后者與企業對接，落實產品化，幫助企業解決問題。目前與企業已有非常多的合作，主要集中在浙江、江蘇、福建等地區，產業化規模較大。從資金投入看，目前實驗室主要由科技部、國家自然科學基金委以及上海市基礎研發項目等的投入。

例如實驗室在碳纖維、芳綸和高強高模聚乙烯纖維等三大高性能纖維研制中取得重大突破。其中高強高模聚乙烯纖維的成功研制使得我國成為繼荷蘭、美國之后，第三個能自主生產該纖維的國家，產品已應用在軍隊防彈裝備、航天航空、海洋船舶等領域，并遠銷50多個國家，目前已在30余家企業實現產業化，產量占據全球30%。

再如，2010年上海世博會開幕式“小球矩陣”項目上，采用的就是重點實驗室高強聚乙烯纖維繩索，營造出小球如凌空懸浮的特技效果。

對石墨烯進入大規模產品應用，我們堅信不疑。