專訪中國石墨烯領(lǐng)軍人物：劉忠范院士及他的團(tuán)隊(duì)

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于 2004年成功地從石墨中剝離出石墨烯，并表征了它的性質(zhì)，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得 2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯，因其擁有獨(dú)特的物理性能而被廣泛關(guān)注。它是目前世界上已知最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的材料，“多才多藝”的性質(zhì)使得石墨烯有著廣闊的應(yīng)用前景，可以運(yùn)用在計(jì)算機(jī)芯片上，大幅度提高計(jì)算速度。用石墨烯作為導(dǎo)電添加劑，可以顯著提高鋰電池的充電速度和綜合性能。所以人們稱它為會(huì)改變世界的材料。

我們有幸采訪了石墨烯領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，同時(shí)也是《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》的主編——?jiǎng)⒅曳对菏浚瑸槲覀兎窒硭难芯拷?jīng)歷及對(duì)國內(nèi)外石墨烯行業(yè)的分析。

問題1：劉院士，作為享譽(yù)世界的石墨烯領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，您是否還記得您是何時(shí)因何種契機(jī)對(duì)石墨烯這個(gè)新興的領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚興趣的？

回答：我原來是做碳納米管的，碳納米管和石墨烯是姊妹關(guān)系，因?yàn)榘褑螌邮砥饋砭妥兂闪颂技{米管。當(dāng)時(shí)經(jīng)常這樣介紹碳納米管，現(xiàn)在看來不卷起來更重要。2004年10月22日第一篇石墨烯文章問世，兩位主要作者在6年后斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，繼而掀起了延續(xù)至今的石墨烯熱。我實(shí)際上是2008年開始進(jìn)入石墨烯領(lǐng)域的。從碳納米管到石墨烯，正好經(jīng)歷了十年的時(shí)間。我為什么會(huì)選擇做石墨烯呢？因?yàn)槭┖吞技{米管從制備方法、表征技術(shù)到物理性質(zhì)都非常類似，所以很多碳納米管玩家都闖入了石墨烯領(lǐng)域。我從2004年到2008年一直在觀望石墨烯，2008年花了大半年時(shí)間滿世界參加相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議做深入調(diào)研，最后才下定決心的。現(xiàn)在看來這個(gè)決策非常正確，因?yàn)閺漠a(chǎn)業(yè)化的角度來看，石墨烯比碳納米管靠譜得多。

問題2：在科研的道路上有哪些重要的人影響了您？

回答：我曾經(jīng)寫過一篇回憶文章，標(biāo)題是《興趣、機(jī)遇與選擇》，回顧了我三十歲以前的一些經(jīng)歷，其中提到了幾位對(duì)我影響非常大的老師。我初中和高中的化學(xué)老師都教得特別好，所以我喜歡化學(xué)，在高考時(shí)毫不猶豫地報(bào)考了化工專業(yè)。到了大學(xué)之后，物理化學(xué)課的老師講得非常好，于是我后來選擇了物理化學(xué)專業(yè)繼續(xù)深造。大學(xué)畢業(yè)之后赴日本留學(xué)，從橫濱國立大學(xué)到東京大學(xué)，遇到了恩師藤島昭先生。也正是藤島昭先生把我真正領(lǐng)進(jìn)了科學(xué)的殿堂，讓我領(lǐng)略了科學(xué)的魅力。在藤島昭先生的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)了五年之后，帶著對(duì)新知識(shí)的渴求，我選擇到有過一面之緣的有機(jī)半導(dǎo)體研究先驅(qū)井口洋夫先生那里做博士后，我后來從事交叉學(xué)科研究也與這位老先生密切相關(guān)。井口洋夫先生讓我對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)又提升了一個(gè)層次。我到北京大學(xué)工作也與一位老先生有關(guān)，他就是蔡生民先生，現(xiàn)在我們見面他還會(huì)親切地喊我“小劉”。他當(dāng)年極力動(dòng)員我到北京大學(xué)工作，可以說對(duì)我的人生規(guī)劃產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。我回國之后，得到了蔡生民先生的方方面面的支持。所以在人生道路上遇到的多位良師是我的運(yùn)氣，他們對(duì)我的學(xué)業(yè)和人生都產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。

問題3：您研究石墨烯已經(jīng)超過10年了，您認(rèn)為石墨烯領(lǐng)域有哪些最重要的發(fā)現(xiàn)？

回答：石墨烯屬于二維材料，早年二維材料并沒有得到人們的重視，因?yàn)榘凑绽实?L.D. Landau)和佩爾斯(R.E. Peierls)的理論，二維材料是不能穩(wěn)定存在的。2004年安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的文章的真正價(jià)值并不在于發(fā)現(xiàn)了石墨烯，而是第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量了二維材料石墨烯的性質(zhì)。本來被認(rèn)為不應(yīng)該存在的東西，不但被做出來了，而且還發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)非常“好玩”。當(dāng)然，現(xiàn)在人們認(rèn)為，理論并沒有錯(cuò)，這種現(xiàn)實(shí)存在的二維材料并非真正的理想平面結(jié)構(gòu)，而是存在著波紋狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)波紋非常非常的小，只有埃量級(jí)，所以很難測(cè)量出來。當(dāng)把石墨烯這樣的二維材料放到支撐襯底上時(shí)，這種波紋結(jié)構(gòu)就會(huì)消失了。就像高山上下了一層雪，它不是雪的形狀，是山的形狀。

石墨烯領(lǐng)域重要的發(fā)現(xiàn)非常多。石墨烯材料的導(dǎo)電性比銀還好，導(dǎo)熱性也是目前最好的。早期的石墨烯研究就展示了諸多新奇的性質(zhì)，如最小量子電導(dǎo)率、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng)、室溫量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、Klein隧穿、贗磁場(chǎng)等。最新的研究發(fā)現(xiàn)，雙層石墨烯存在著“魔角”，當(dāng)轉(zhuǎn)角為1.1°左右時(shí)，出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。盡管炒的有點(diǎn)過頭，但也的確說明石墨烯仍然是有繼續(xù)開墾價(jià)值的富礦。

問題4：您能否列舉一些您的課題組正在進(jìn)行的最重要的幾個(gè)項(xiàng)目？

回答：我的團(tuán)隊(duì)從事了10年的石墨烯研究，在石墨烯材料制備和殺手锏級(jí)應(yīng)用探索方面取得了一系列創(chuàng)新性成果，正是這些突破催生了北京石墨烯研究院。我比較得意的代表性工作有以下幾個(gè)。首先是我們發(fā)明的超潔凈石墨烯制備技術(shù)。高溫爐子里生長出來的石墨烯薄膜其實(shí)很臟，通常大家都認(rèn)為是剝離過程中帶來的污染物。我們的研究發(fā)現(xiàn)，這些臟東西是生長過程中的本征污染物，與生俱來的東西。為此，我們發(fā)明了沒有本征污染的超潔凈石墨烯薄膜生長方法，這種干凈的石墨烯在剝離后也是干凈的。超潔凈石墨烯顯示出接近理論極限的優(yōu)良特性，代表著石墨烯材料生長的發(fā)展前沿。

第二個(gè)是超級(jí)石墨烯玻璃，我們通過長達(dá)五年的艱苦努力，實(shí)現(xiàn)了在普通玻璃上的石墨烯生長。目前全世界只有我們能夠做出來，屬于重大技術(shù)突破。石墨烯通常是在金屬催化劑表面生長出來的，金屬催化劑起著催化裂解碳源分子和降低石墨化溫度的作用。我們最早嘗試在普通玻璃上生長石墨烯。因?yàn)闆]有高效的催化劑存在，難度可想而知。經(jīng)過不懈的努力和堅(jiān)持，我們找到了訣竅，發(fā)明了一系列生長技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在任意玻璃上的高質(zhì)量石墨烯生長。這種超級(jí)石墨烯玻璃，既擁有非常好的導(dǎo)電性，又擁有極好的導(dǎo)熱性，同時(shí)保持了足夠的透光度，表面化學(xué)特性也發(fā)生了根本性變化，完全不同于傳統(tǒng)的玻璃。超級(jí)石墨烯玻璃擁有廣闊的應(yīng)用前景，手機(jī)觸摸屏、透明暖氣片、智能窗、投影屏、高效細(xì)胞培養(yǎng)皿、光學(xué)傳感器，等等。

我們的得意之作還有烯碳光纖，這是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。我們?cè)谑⒐饫w表面直接生長高質(zhì)量的石墨烯薄膜，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量制備。這種新一代的烯碳光纖可用于制備電光調(diào)制器、超快激光器、光纖傳感器以及特種防腐光纖。我們之所以有此突破，得益于超級(jí)石墨烯玻璃的前期工作基礎(chǔ)。這也是我的突發(fā)奇想，因?yàn)楣饫w是石英玻璃纖維，石墨烯在玻璃上可以生長，自然在光纖上應(yīng)該也可以。

石墨烯原材料制備是我們的強(qiáng)項(xiàng)，也是未來石墨烯產(chǎn)業(yè)的基石。我們目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四英寸無褶皺單晶石墨烯晶圓的批量制備，年產(chǎn)量能達(dá)到一萬片；多晶石墨烯薄膜年產(chǎn)量達(dá)到兩萬平方米；石墨烯玻璃年產(chǎn)量達(dá)到五千平方米；石墨烯玻璃纖維布也實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。我們不僅制備高端石墨烯材料，還制造石墨烯裝備，并將很快投放市場(chǎng)。

問題5：您研究石墨烯以來，您的研究側(cè)重點(diǎn)是否發(fā)生了改變？

回答：在逾十年的石墨烯研究中，前五年石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前景還不明朗，所以我主要從事基礎(chǔ)研究，發(fā)展高品質(zhì)石墨烯材料的生長方法和化學(xué)修飾方法，探索石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域，自然也是追求發(fā)文章，發(fā)所謂的高檔次文章。從2013年左右開始，我的側(cè)重點(diǎn)發(fā)生了重大變化。盡管發(fā)了很多不錯(cuò)的文章，在國際上也已經(jīng)小有名氣，但缺少真正的成就感。這時(shí)我面臨著一個(gè)新的抉擇，是像很多石墨烯玩家一樣，尋找新的文章富礦，進(jìn)入其他二維材料領(lǐng)域，還是繼續(xù)做石墨烯研究。經(jīng)短暫的思考，我下定決心在石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)方面做點(diǎn)事情，從此開始了一個(gè)充滿挑戰(zhàn)和荊棘的新征程。五年多的實(shí)踐表明，與做真正有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)相比，發(fā)文章實(shí)在是太容易了，因?yàn)楹笳卟槐仃P(guān)心有用沒用，好玩就行。一旦考慮到實(shí)用性，就會(huì)發(fā)現(xiàn)很多發(fā)文章的“套路”都行不通了。我經(jīng)常跟學(xué)生講，如果只是為了發(fā)文章，我可以有一百個(gè)主意，發(fā)一百篇文章，但是當(dāng)考慮產(chǎn)業(yè)化前景時(shí)，就只剩下十個(gè)主意了，難度大幅度提升，因?yàn)槟悴荒芡婊恿恕＜幢闶鞘畟€(gè)主意，到最后可能只有一兩個(gè)是行得通的，甚至一個(gè)不通，這才是真正的挑戰(zhàn)性工作。我的體會(huì)是，要做點(diǎn)真正有用的東西，或者上貨架，或者上書架，不能把你的精力和才華浪費(fèi)到玩花樣上。真正對(duì)科學(xué)有用的東西，不是說發(fā)幾篇好文章，而是能夠留到科學(xué)史上，寫到教科書里。而真正對(duì)產(chǎn)業(yè)有用的東西，那是實(shí)實(shí)在在的實(shí)用性技術(shù)，需要經(jīng)過千錘百煉，浴火重生。所以從這個(gè)角度講，“頂天”也難，“立地”更難。但是我們目前的評(píng)價(jià)機(jī)制，是鼓勵(lì)大家只做對(duì)自己有用的東西，發(fā)一大堆所謂的高檔次文章，拿一大堆頭銜，換來更好的待遇而已。從2008年至今已經(jīng)整整十年，我的團(tuán)隊(duì)完成了從實(shí)驗(yàn)室到北京石墨烯研究院的跨越。下一個(gè)十年將會(huì)如何，我充滿期待。有一點(diǎn)非常清楚，絕非幾篇文章的產(chǎn)出，而必將是一個(gè)新的飛躍。

問題6：目前中國石墨烯的研究是否走在了國際前列？

回答：我經(jīng)常被問到這個(gè)問題，北京石墨烯研究院的石墨烯研究肯定已經(jīng)走在了世界的前列。中國石墨烯研究的整體水平是否已經(jīng)走在了前列應(yīng)該從兩個(gè)方面來看。一方面是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2011年起，中國的石墨烯文章數(shù)量已經(jīng)位居世界第一，接近六萬篇，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第二名美國的兩萬多篇；中國申請(qǐng)的石墨烯專利占了全球的54%以上，也是遙遙領(lǐng)先。目前中國涉及石墨烯業(yè)務(wù)的公司已經(jīng)超過五千家，并且呈現(xiàn)迅速增加之勢(shì)。因此，從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上講，中國的石墨烯研究已經(jīng)領(lǐng)先世界，擁有絕對(duì)的“數(shù)量”優(yōu)勢(shì)。但是，數(shù)字后面也隱藏著巨大的危機(jī)。我正在組織一個(gè)正式的調(diào)研活動(dòng)，進(jìn)行全國性的實(shí)地調(diào)查，了解中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，為國家制定相關(guān)政策提供決策依據(jù)。我們已經(jīng)在北京和江蘇走訪了多家石墨烯企業(yè)，應(yīng)該說不容樂觀，掙扎在生死線上的企業(yè)絕非少數(shù)。另一方面，我在各種場(chǎng)合也一直在講，中國的石墨烯研究跟國外不在一個(gè)頻道上。我們更關(guān)注馬上能賺到錢的東西，我們有七百多家石墨烯涂料企業(yè)，還有眾多的石墨烯電熱器和所謂的大健康企業(yè)、以及更多的石墨烯電池玩家，石墨烯內(nèi)衣、石墨烯襪子、石墨烯護(hù)腰、石墨烯口罩，甚至還有石墨烯首飾，應(yīng)有盡有。反觀國外，他們更多關(guān)注的是未來，是高大上的石墨烯產(chǎn)品開發(fā)，如柔性石墨烯邏輯電路、石墨烯微波通訊器件、石墨烯太赫茲傳感器、石墨烯傳感器和光探測(cè)器、石墨烯汽車、石墨烯海水淡化技術(shù)等。顯而易見，這些東西不可能立即變現(xiàn)，不能期待幾年之內(nèi)就有多么大的產(chǎn)業(yè)，但是它們代表著石墨烯材料的未來。我特別擔(dān)心的是，我們起了個(gè)大早，趕了個(gè)晚集。因?yàn)槲覀冎魂P(guān)注現(xiàn)在，根本沒有考慮未來。

問題7：目前石墨烯領(lǐng)域的發(fā)展存在的最大的挑戰(zhàn)有哪些？

回答：有兩個(gè)挑戰(zhàn)，首先是制備問題，制備決定未來。未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)依賴于石墨烯材料本身，沒有好的材料也就失去了產(chǎn)業(yè)的根基，所以把材料做好是關(guān)鍵。石墨烯制備看似簡單，實(shí)際上想要做好不容易，雖然我做了十年石墨烯薄膜生長，感覺是越做越難。這點(diǎn)與碳纖維材料非常相似。碳纖維已有將近六十年的歷史，質(zhì)量也是一個(gè)逐漸提升的過程。早年的碳纖維只能用做釣魚竿和高爾夫球桿。而現(xiàn)在的碳纖維復(fù)合材料是航空航天和國防軍工領(lǐng)域的殺手锏級(jí)材料，波音787就大量使用了這種新型復(fù)合材料。目前的石墨烯材料質(zhì)量還差得遠(yuǎn)，在制備技術(shù)上還有非常大的提升空間。還要考慮價(jià)格問題，好的材料自然比較貴，太貴了市場(chǎng)無法接受。盡管我不贊成“物美價(jià)廉”的口號(hào)，但是太貴的話很難被市場(chǎng)所接受，相信未來可以通過規(guī)模化的生產(chǎn)同時(shí)解決質(zhì)量和價(jià)格問題。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是應(yīng)用問題。理論上石墨烯有著廣闊的應(yīng)用前景，但現(xiàn)實(shí)是更多地作為“工業(yè)味精”使用，似乎放在哪里都挺好，既虛實(shí)難辨，也不是不可替代。人們需要找到石墨烯材料的“殺手锏”級(jí)用途，非它莫屬，缺它不行。理性地講，這條路還很漫長。

問題8：您認(rèn)為石墨烯材料發(fā)展和應(yīng)用對(duì)普通人的生活會(huì)有哪些影響？

回答：我給石墨烯材料勾畫了三種前途。第一種前途類似于碳纖維材料，在某些領(lǐng)域找到不可或缺的用途，成為殺手锏級(jí)的應(yīng)用。第二種前途類似于塑料，一百年前人們發(fā)明了塑料，極大地便利了人類生活，已經(jīng)滲透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有這種潛質(zhì)，因?yàn)槔碚撋嫌刑嗟目赡埽谖磥硪部赡芟袼芰弦粯舆M(jìn)入我們的日常生活。第三種前途類似于硅材料。沒有硅材料，就沒有集成電路，自然也就無法進(jìn)入信息化時(shí)代。甚至可以講，我們現(xiàn)在生活在“硅時(shí)代”。石墨烯材料擁有遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料的電子學(xué)特性，可用來制造未來的超快集成電路。在未來的某一天，石墨烯材料有可能替代硅材料，制造“碳基集成電路”，從而把人類帶入“碳時(shí)代”。當(dāng)然，這還是一個(gè)美好的夢(mèng)想，需要解決諸多技術(shù)問題。

問題9：作為國內(nèi)石墨烯行業(yè)頂尖研究院的創(chuàng)辦者，您對(duì)國內(nèi)同樣開展石墨烯研究的課題組，有什么好的建議嗎？

回答：第一是不要太著急，不能過于急功近利。應(yīng)弘揚(yáng)工匠精神，把一件事情做到極致。因?yàn)檎嬲暮诵募夹g(shù)，是“熬”出來的，需要耐心。我研究石墨烯十年了，尤其在石墨烯薄膜制備方面下了極大的功夫，但是也不敢說解決了所有問題。第二是不要一哄而上，做低水平的重復(fù)性工作，進(jìn)行惡性競(jìng)爭(zhēng)，這是沒有前途的。第三是從基礎(chǔ)研究抓起，深入挖掘石墨烯這個(gè)富礦，找到新的性質(zhì)和新的用途，前面提到的雙層石墨烯的超導(dǎo)效應(yīng)就是一個(gè)典型的例子。

問題10：隨著期刊競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，尤其是在英文期刊一統(tǒng)科技界的形勢(shì)下，很多中文期刊都轉(zhuǎn)為英文，您作為中文期刊的主編，您認(rèn)為中文期刊存在的價(jià)值和意義在哪里？對(duì)中文期刊的發(fā)展有什么建議？

回答：中文期刊的角色定位與英文期刊完全不同，我與《科學(xué)通報(bào)》主編高福院士在這方面有著高度共識(shí)，絕不能簡單地拿所謂的影響因子高低說事兒，影響因子不是衡量中文期刊水平的唯一標(biāo)準(zhǔn)。中文期刊是一個(gè)向國人傳播本領(lǐng)域最新最前沿研究進(jìn)展的學(xué)術(shù)平臺(tái)，這是英文期刊所不具備的。毋庸置疑，不是所有的國人都是英語達(dá)人，也不是所有的人都愿意看英文期刊，我們的企業(yè)研發(fā)人員或許更重視中文期刊。另外，從文化傳承層面上講，中國人應(yīng)有用母語寫的學(xué)術(shù)期刊。我對(duì)中文期刊的建議是，高度重視文章的學(xué)術(shù)質(zhì)量，及時(shí)、準(zhǔn)確地向國人傳播最前沿的科技進(jìn)展，這是中文期刊的使命所在。

問題11：您從教多年培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的青年科學(xué)家，有一些已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的領(lǐng)軍人物。您在培養(yǎng)學(xué)生方面有哪些經(jīng)驗(yàn)可以與大家分享？您對(duì)青年科學(xué)家的期望是什么？

回答：回國26年，我最大的驕傲是培養(yǎng)的教授/研究員已經(jīng)超過50個(gè)，還有眾多的副教授。我的目標(biāo)是在有生之年，至少培養(yǎng)100個(gè)教授。我愿意去發(fā)現(xiàn)人才、培養(yǎng)人才，在這方面深受我導(dǎo)師的影響。我經(jīng)常提醒自己，做導(dǎo)師不易，會(huì)影響學(xué)生的一生，要以身作則，不能大意。我的絕大多數(shù)學(xué)生在畢業(yè)之后還在從事科研工作，說明并沒有討厭科研這條路。作為導(dǎo)師要重視言傳身教，身教勝于言傳。如果你自己不喜歡科研這條路，難以想象你會(huì)說服學(xué)生喜歡。學(xué)生是導(dǎo)師的“作品”，而不是廉價(jià)勞動(dòng)力。帶學(xué)生也是一門藝術(shù)，要給他們足夠的空間，去發(fā)揮，去發(fā)展，去展示自己的才華。我還有一個(gè)目標(biāo)，要培養(yǎng)十個(gè)億萬富翁，讓學(xué)生們真正體會(huì)到，知識(shí)就是財(cái)富。我在全力以赴地推進(jìn)北京石墨烯研究院工作，這是一個(gè)很好的平臺(tái)，也是一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目標(biāo)的抓手，我充滿期待。

我希望青年科學(xué)家要沉下心來，做點(diǎn)真正有價(jià)值的東西，要么上貨架，要么上書架。我非常理解青年科學(xué)家們背負(fù)的各種壓力，但是不必操之過急，因?yàn)樽鰧W(xué)問是一輩子的事情，不必只爭(zhēng)朝夕。找到一個(gè)自己喜歡的方向，堅(jiān)持做下去，你一定會(huì)有所成就，一定會(huì)被大家所認(rèn)可。