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中国科学院院士刘忠范:正视我国石墨烯产业现存问题


2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年,两人借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。之后,世界范围内对石墨烯的研究、应用及投资快速升温。


作为目前世界上已知的最薄、强度最高、导电性最好且拥有强大灵活性的碳材料,人们对石墨烯在新技术领域的应用充满了想象。华为、三星、苹果和谷歌等巨头开始积累各种与石墨烯相关的专利,未来之战已在实验室打响。


中国拥有最大的石墨烯研究队伍,产业化工作正在如火如荼地进行,全国各地也在纷纷兴建石墨烯产业园。那么,中国目前石墨烯产业化情况如何?石墨烯材料的未来之路究竟在何方?


北京大学化学与分子工程学院教授,中国科学院院士、发展中国家科学院院士刘忠范给了我们答案。


石墨烯是什么?


《大国之材》:刘院士好,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,更有科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,请刘院士介绍一下石墨烯这种神奇的材料?


刘忠范大家都知道石墨,石墨跟石墨烯只有一字之差,实际上石墨烯就是单层石墨片。把单层石墨片垒起来,垒到你可以看到就是石墨。而把石墨一层一层的剥下来,剥到最后就是石墨烯。石墨跟石墨烯的关系就是这样。简而言之,石墨烯就是一种纯碳材料,百分之百的碳材料,是具有代表性的二维材料,其形状表现为蜂窝状、六角形结构的碳构成的二维平面,就是石墨烯。


《大国之材》请问石墨烯材料有哪些优越的性能,能在哪些领域应用?


刘忠范首先,石墨烯非常薄、导电性特别好。通俗来讲,就是电子在石墨烯里面可以跑得非常快。石墨烯优异的导电性能也决定其是一种非常好的导电材料。


其次,石墨烯的导热性特别好,理论上它的热导率可以到5300W/(m·K),而金刚石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的导热性是目前为止已知材料中最好的,运用石墨烯的导热性,可以用来做散热膜;同时因为石墨烯结构的特殊性,可以用来做发热膜。比如国内现在有用石墨烯作画的,这个画既可以用来欣赏,也有加热的功能。


此外,因为石墨烯导电性好且表面积特别大,所以目前国内比较多的做法是把石墨烯放到锂离子电池中做添加剂。添加石墨烯后可以显著提高锂离子电池的性能、寿命以及循环次数。


值得一提的是,因为一层两层的石墨烯是透明的,又导电又透明你会想到什么呢?可以做触摸屏、触控屏。目前市场上一般是用ITO来做触摸屏,ITO作为一种玻璃,不能来回掰,而石墨烯的柔性特质则决定其可以来回掰。


《大国之材》请问刘院士是什么时候开始结缘石墨烯的,能否简单介绍一下目前团队已经取得的成绩?


刘忠范其实我原来研究的就是碳材料,研究方向是碳纳米管。我1998年开始做碳纳米管,2008年开始研究石墨烯。


事实上,石墨烯跟碳纳米管有很多相同之处,石墨片卷起来就是碳纳米管,把碳纳米管分开、切开就是石墨烯。自然而然,很多研究碳纳米管的也就转向研究石墨烯了,我也是其中之一。


当年研究碳纳米管时,做化学气相生长是我们比较擅长的,所以在研究石墨烯的时候,我们很自然地也从化学气相生长开始,也就是石墨烯薄膜的制备。


我们团队已经在石墨烯薄膜制备领域做了很多工作,可以说我们是石墨烯高质量制备做得最好的团队之一。


正视石墨烯产业化现存问题


《大国之材》石墨烯作为一种新型材料,没有相关经验可以借鉴,请问您和您的团队在研究石墨烯时遇到过什么问题,又是如何解决的?


刘忠范目前国内号称石墨烯薄膜的制备可以做到百万平米每年,但实际上制备出来的产品质量还是比较差的。我们以一个简单的度量方式来看,单晶畴区越大质量越好,性能也就越好。我们一直在试图突破大的单晶薄膜,但这就意味着我们需要克服重重困难,从基础研究、理论高度去思考,再从实验及实践层面来解决问题。


我觉得我们最大的的突破就是把石墨烯展开到玻璃上,我们叫超级石墨烯玻璃。我们可以在任意玻璃上(透明的或带有颜色玻璃上)贴上一层石墨烯,我们叫超级石墨烯玻璃。


超级石墨烯玻璃的用途非常多,甚至我们认为有可能改变传统的玻璃行业。比如说,我们都知道玻璃是绝缘的,放上一层石墨烯之后,它就变成导电的了;玻璃是不导热的,放上一层石墨烯之后导热加强;且贴一两层石墨烯并不会影响到玻璃的透明性,但玻璃的实质却完全变了,我们可以利用石墨烯玻璃做触摸屏、智能窗。


此外超级石墨烯玻璃还可以应用在汽车领域,我们看到高端汽车玻璃后面会有很多线条,这些线条其实就是导电的电线。而如果用石墨烯玻璃就不需要这些导电线,因为玻璃本身就是导电的。加上电压之后就不需要贴膜了,它就可以除霜除雾,可以灵活调控变成深色或浅色。


这是我们团队发明的技术,但这之中也还面临着非常多的困难,比如说大规模制备、扩大产能等问题,但是我们对它充满期待,相信石墨烯玻璃会成为一个著名品牌。


石墨烯未来之路在何方?


《大国之材》目前全球都在大力发展石墨烯,中国石墨烯产业发展得怎么样?


刘忠范中国在石墨烯产业化领域是走在世界前端的。这点可以从我们国家现在已建或在建的十七、八个石墨烯产业园就能明显感觉到,包括常州、无锡、深圳、重庆、青岛、哈尔滨等。国家政策以及各级政府都在大力推动石墨烯的产业化。


相对而言,我们比较关注石墨烯产品,而欧美等国则更多地是在宣传石墨烯技术,其实这只是处在不同的阶段。我们一般把它分成A、B、C三个阶段,初级阶段是产品、中期是技术,到最后肯定是产业化。


目前我觉得我们国家关注比较多的还是产品本身,技术研发需要投入大量的资金,需要耐心。在这一点上,我们也在向国家各个部门呼吁,要从总体来布局。从先发优势上来讲,中国石墨烯产业化是走在前列,但后期的长久的优势则取决于我们关注什么,我觉得这个布局特别重要。不仅仅要关注现在,还要关注未来的技术和更伟大的产业。


《大国之材》您觉得未来石墨烯最有可能在哪些领域率先实现大规模应用?


刘忠范我给石墨烯设计了三种未来:


第一个未来相当于碳纤维。大家知道碳纤维可以应用在航空航天上,做大飞机以及做飞机的发动机等,同时也应用到低端的如钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车等领域。我相信石墨烯至少会像碳纤维那样在各个行当里面发挥它的优势。


石墨烯的第二个未来相当于塑料。我们都知道塑料已经应用到我们生活中的方方面面,未来石墨烯也有这种可能。因为现在很多产品都已经开始添加石墨烯,包括国内的石墨烯内衣、石墨烯袜子等。


第三种未来是比较高端的,像硅材料、硅芯片。硅这种材料是一个时代的代名词,就像历史上的石器时代、青铜时代等,硅材料改变了我们的精神生活,没有硅就没有手机、计算机。未来石墨烯也有可能成为一个时代的代名词,将来有可能取代硅,应用在集成电路等领域,速度更快、更轻、可折叠、可穿戴。


以上就是我可以想象到的石墨烯的三种未来,无论是哪种未来的实现,都将对我们的国民经济、日常生活带来非常大的影响。


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