石墨烯為安全應(yīng)急產(chǎn)業(yè)注入新元素

劉越山

劉忠范

當(dāng)今，綠色、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展理念已成為全球共識(shí)，新材料作為各行各業(yè)發(fā)展的重要組成部分，已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。從靈巧攀爬樓梯的機(jī)器人，到無(wú)人機(jī)的救援;從新型滅火設(shè)備，到各種防汛物資的應(yīng)急應(yīng)用，科技正在為應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的元素。這其中，應(yīng)急產(chǎn)品中廣泛使用的新材料，功不可沒(méi)。“不錯(cuò)，你所提到的疫情期間出現(xiàn)的石墨烯口罩，以及正在市場(chǎng)走俏的石墨烯羽絨服等，這些都屬于新材料在應(yīng)急產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。”中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范日前在他的辦公室，對(duì)前來(lái)采訪的《經(jīng)濟(jì)》雜志、經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者這樣表示，“不過(guò)，這些應(yīng)用還都屬于‘小意思，石墨烯的真正用途絕非如此簡(jiǎn)單！”

一

劉忠范院士向記者首先科普了石墨烯的知識(shí)。石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，號(hào)稱新材料之王，其無(wú)與倫比的特性吸引了全世界的目光。超薄、超輕、超柔韌、超高強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的導(dǎo)熱和透光性等，既能使手機(jī)像iPad那樣擁有較大的屏幕，還能任意彎折而不破壞性能讓手機(jī)屏幕折疊裝進(jìn)口袋。擁有良好柔韌性的石墨烯，還在新冠肺炎疫情期間催生出了石墨烯口罩，外界反映效果不錯(cuò)。從原理上講，石墨烯的超大比表面積會(huì)顯示出強(qiáng)大的吸附性能，可吸附新冠病毒、霧霾顆粒物等。集透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等多種優(yōu)異性能于一身的石墨烯，在電子學(xué)、光學(xué)、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用潛能。

石墨烯由于具有非常高的化學(xué)惰性，因此它也用作某些軍工材料或設(shè)備的涂層，更能防腐耐蝕。雖然石墨烯的密度極小，但它卻又無(wú)比堅(jiān)固，可以大大減輕材料的重量，獲得極高的機(jī)械強(qiáng)度，可以使以往笨重的防彈衣變得像紙一樣輕薄。而石墨烯還能應(yīng)用在航空航天設(shè)備中，讓航空航天設(shè)備大大減輕自身重量。而將石墨烯作為金屬材料的添加劑，如烯合金，還能大大提高合金材料的屈服和抗拉強(qiáng)度，在航天領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值極大。而石墨烯還可以吸收微波波段的輻射，使隱形飛機(jī)更加“隱身”。美國(guó)NASA也正在研制石墨烯微型傳感器，用于航天過(guò)程中對(duì)氧氣含量的精確監(jiān)測(cè)。

談起我國(guó)對(duì)石墨烯的研發(fā)及應(yīng)用，劉忠范院士介紹說(shuō)，中國(guó)擁有最龐大的石墨烯研究隊(duì)伍，從2011年起，中國(guó)學(xué)者發(fā)表的石墨烯相關(guān)學(xué)術(shù)論文已居世界首位，中國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專利目前已占到全球總數(shù)的83%。同時(shí)，中國(guó)也在引領(lǐng)著石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)動(dòng)，目前全國(guó)共有41550余家企業(yè)從事石墨烯產(chǎn)品及其生產(chǎn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，集中在石墨烯原材料、鋰離子電池導(dǎo)電添加劑、超級(jí)電容器、防腐涂料、電加熱和大健康產(chǎn)品、觸摸屏等領(lǐng)域。中國(guó)的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)已取得了巨大進(jìn)步，在國(guó)際上位列“第一方隊(duì)”，走在了世界前列。

二

雖然我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)引領(lǐng)全球，但盲目發(fā)展的問(wèn)題仍然存在。劉忠范院士此前到南方考察石墨烯產(chǎn)業(yè)時(shí)就曾指出，中國(guó)石墨烯市場(chǎng)“虛火太旺”。而今，依然如此。最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)有4萬(wàn)多家號(hào)稱做石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)，但大都是小微、初創(chuàng)型企業(yè)，可持續(xù)發(fā)展能力非常有限。而疫情因素也對(duì)這些石墨烯企業(yè)帶來(lái)打擊，面臨生死存亡的壓力。從石墨烯材料的規(guī)模化生產(chǎn)能力看，粉體材料年產(chǎn)能達(dá)到14640余噸，薄膜年產(chǎn)能達(dá)740余萬(wàn)平方米，國(guó)外產(chǎn)能加到一起也沒(méi)中國(guó)多。這是優(yōu)勢(shì)，但也是挑戰(zhàn)之所在。“因?yàn)槲覀兣艿锰炝耍诋a(chǎn)業(yè)還沒(méi)有完全發(fā)展起來(lái)的時(shí)候，產(chǎn)能就已經(jīng)過(guò)剩了。”劉忠范院士對(duì)此充滿憂慮。

這些為數(shù)不少的石墨烯小微企業(yè)關(guān)注的都是什么呢？多是現(xiàn)在能“賣錢”的產(chǎn)品，比如內(nèi)衣內(nèi)褲、口罩、護(hù)腰、面膜等。對(duì)于涉及產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，卻關(guān)注得非常少。“如此只關(guān)注眼前，不重視長(zhǎng)遠(yuǎn)和未來(lái)，使得我們的關(guān)注點(diǎn)跟國(guó)外石墨烯產(chǎn)業(yè)根本不在一個(gè)‘頻道上。”劉忠范院士對(duì)此也是憂心忡忡。

談及前段時(shí)間某汽車廠商的廣告“充電八分鐘，便跑上千公里”的石墨烯電池事件，劉忠范院士表示，這純粹是在炒概念，電池里面充當(dāng)導(dǎo)電添加劑角色的石墨烯，其用量是很少的，多用反而會(huì)出問(wèn)題，因此稱之為石墨烯電池，并不確切。他坦言，目前石墨烯市場(chǎng)上的許多石墨烯材料和產(chǎn)品，“還很不靠譜”。

據(jù)劉忠范院士介紹，當(dāng)前制約石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的問(wèn)題是，有不少人誤認(rèn)為進(jìn)入石墨烯行當(dāng)?shù)拈T檻很低，并且誤以為“石墨烯時(shí)代”就在眼前。實(shí)際上，從英國(guó)的安德烈·海姆等人發(fā)表第一篇石墨烯論文至今，只有短短的18年時(shí)間，石墨烯原材料的規(guī)模化生產(chǎn)也才剛剛開(kāi)始。就現(xiàn)狀而言，我們?nèi)蕴幵诋a(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段。但有不少認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)導(dǎo)致很多人盲目樂(lè)觀，盲目進(jìn)入石墨烯領(lǐng)域。目前的石墨烯產(chǎn)業(yè)園建設(shè)也存在過(guò)于盲目、分散，且簡(jiǎn)單重復(fù)，特色不清晰，所從事的大多屬于門檻很低的低端產(chǎn)品研發(fā)，這必然也會(huì)導(dǎo)致低水平的惡性競(jìng)爭(zhēng)。特別是急功近利傾向嚴(yán)重，只關(guān)注今天能夠獲利的初級(jí)產(chǎn)品，輕視甚至忽視了對(duì)未來(lái)石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的關(guān)注和投入。

從產(chǎn)能上看，石墨烯的粉體和薄膜目前均實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化制備，然而，石墨烯產(chǎn)品的生長(zhǎng)工藝、原材料、設(shè)備甚至生產(chǎn)批次的不同，得到的產(chǎn)品質(zhì)量和性能也參差不齊，且很難達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)模化制備對(duì)制備技術(shù)的可重復(fù)性、安全性和成本等，都提出了更高的要求。

三

在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）發(fā)布的《2021年全球創(chuàng)新指數(shù)報(bào)告》中，中國(guó)創(chuàng)新能力綜合排名第12名，而2017年，中國(guó)僅僅是第22名。短短4年時(shí)間，中國(guó)創(chuàng)新能力突飛猛進(jìn)，這些榮耀的背后是中國(guó)無(wú)數(shù)科技工作者銳意進(jìn)取、迎難而上、攻堅(jiān)克難、追求卓越的必然結(jié)果。北京石墨烯研究院自2018年揭牌成立以來(lái)，用工匠精神鉆研石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)卡脖子技術(shù)，扎扎實(shí)實(shí)打造石墨烯產(chǎn)業(yè)的基石，不但打造了一支實(shí)力強(qiáng)大的涵蓋基礎(chǔ)研究、工藝開(kāi)發(fā)和裝備制造的石墨烯研發(fā)團(tuán)隊(duì)，也創(chuàng)造了多項(xiàng)全球引領(lǐng)的石墨烯材料規(guī)模化制備技術(shù)，形成了一批自主開(kāi)發(fā)的制備與檢測(cè)裝備，在石墨烯材料特種領(lǐng)域應(yīng)用和產(chǎn)品化、市場(chǎng)化方面也取得重要突破，有一批“殺手锏”的產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用，涵蓋通用和特種材料、航空器和風(fēng)電葉片除冰、航空輪胎、新一代LED發(fā)光器件、電熱產(chǎn)品等一系列應(yīng)用。在機(jī)制設(shè)計(jì)上，他們的“研究院”+“公司”一體兩翼的機(jī)制設(shè)計(jì)是取得快速發(fā)展的機(jī)制保障，作為一個(gè)全新的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新模式，“定制化”的“研發(fā)代工”，對(duì)企業(yè)產(chǎn)生了很強(qiáng)的吸引力，成為對(duì)接企業(yè)技術(shù)升級(jí)需求、共同打造引領(lǐng)世界的石墨烯材料生產(chǎn)基地。更重要的是，它由市場(chǎng)需求牽引，有效解決了科技經(jīng)濟(jì)“兩張皮”的問(wèn)題，為研究院科技研發(fā)提供了市場(chǎng)牽引、為科技成果轉(zhuǎn)化提供了落地通道，也為公司長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新動(dòng)力和技術(shù)支撐。

劉忠范院士表示，北京石墨烯研究院成立以來(lái)，立足國(guó)家發(fā)展大局，瞄準(zhǔn)科技前沿，以工匠精神鉆研石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)卡脖子技術(shù)，推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)入深水區(qū)。目前已取得200多項(xiàng)發(fā)明專利，創(chuàng)造了多項(xiàng)引領(lǐng)全球的石墨烯材料規(guī)模化制備技術(shù)及產(chǎn)品，A3尺寸通用石墨烯薄膜、超潔凈石墨烯薄膜、4英寸石墨烯單晶晶圓、6英寸石墨烯單晶晶圓、石墨烯玻璃纖維、烯碳/芳綸復(fù)合纖維等產(chǎn)品，廣受市場(chǎng)好評(píng)。

目前他們的超潔凈石墨烯材料，為全球獨(dú)家，他們正努力在制備和材料應(yīng)用上發(fā)力，“大家都在做，我們就要做得最好！我們將繼續(xù)創(chuàng)新機(jī)制、融通資源，以工匠精神，鍥而不舍地解決石墨烯產(chǎn)業(yè)‘卡脖子技術(shù)問(wèn)題，加快推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化，著力打造國(guó)際一流的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)和引領(lǐng)世界的石墨烯產(chǎn)業(yè)高地。”

四

時(shí)光倒流，1984年10月，懷揣著對(duì)化學(xué)濃烈興趣的劉忠范在母親的支持下，開(kāi)啟了東渡日本的近10年留學(xué)生活，先后在日本橫濱國(guó)立大學(xué)、東京大學(xué)獲得碩士、博士學(xué)位，并在東京大學(xué)和日本分子科學(xué)研究所做博士后。1991年，劉忠范遇到了至今被他稱為伯樂(lè)的人——北京大學(xué)化學(xué)系教授蔡生民先生。蔡教授數(shù)次向他發(fā)出回國(guó)工作的邀請(qǐng)。彼時(shí)的中國(guó)，科研條件還落后許多、還處在科技騰飛的前夜，但劉忠范毅然選擇了回到祖國(guó)。如今，作為十三屆全國(guó)政協(xié)常委、九三學(xué)社中央副主席，劉忠范還曾多次就全國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況到全國(guó)各地進(jìn)行調(diào)研，考察企業(yè)，走訪市場(chǎng)，對(duì)我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的許多深層次思考報(bào)告，得到國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)層的重視。BCCD9F51-A085-4888-9611-A9CB99474AD9