石墨烯號稱“新材料之王”,是一種二維蜂窩狀純碳材料,集眾多特性于一身。它是目前最薄、最輕的材料,同時也是最強(qiáng)、最堅硬的材料。雖然石墨很軟,但是單層的石墨烯材料甚至比金剛石還硬。我們所熟知的金剛石導(dǎo)熱性很好,熱導(dǎo)率在2000W/mK(導(dǎo)熱系數(shù))左右,而石墨烯的熱導(dǎo)率達(dá)到5300W/mK。石墨烯還兼具柔性、透明等特性,而且只有質(zhì)子能夠穿透。這些優(yōu)良的特性賦予了石墨烯材料極為廣闊的應(yīng)用前景,也是吸引全世界眼球的根本原因。
石墨烯價值理想豐滿但現(xiàn)實骨感
中國擁有全世界最為龐大的石墨烯研發(fā)隊伍,從2011年起發(fā)表的學(xué)術(shù)論文數(shù)量就穩(wěn)居世界第一。中國申請的石墨烯專利數(shù)量也高居全球榜首,呈遙遙領(lǐng)先之勢。
目前,中國正在掀起一場轟轟烈烈的石墨烯產(chǎn)業(yè)化運(yùn)動。全國有將近20家石墨烯產(chǎn)業(yè)園,這個數(shù)字還在增長。無論是發(fā)達(dá)地區(qū),還是偏遠(yuǎn)地區(qū),都在建石墨烯產(chǎn)業(yè)園,這讓人想起1958年大躍進(jìn)時期的“大煉鋼鐵”運(yùn)動。
其實,對于石墨烯材料來說,理想與現(xiàn)實差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窩狀結(jié)構(gòu),而現(xiàn)實的石墨烯就像一件破衣服,由無數(shù)個石墨烯微片拼接而成。石墨烯上有很多缺陷,還有很多臟東西。因此,現(xiàn)實制備出來的石墨烯材料性能沒有那么好,價值也沒有那么高。套用一句網(wǎng)絡(luò)語言,就是“理想很豐滿,現(xiàn)實很骨感”。
石墨烯材料需持續(xù)投入更需耐心
我們可以看不懂未來,但是可以回顧歷史,溫故而知新。大家所熟悉的碳纖維研發(fā)歷史很有借鑒意義。1961年,大阪工業(yè)技術(shù)試驗所進(jìn)藤昭男發(fā)明聚丙烯腈基碳纖維制備技術(shù),十年后的1971年日本東麗公司率先實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn),每月1噸的規(guī)模。東麗公司沿著T300、T800、T1000的標(biāo)號之路不斷提升碳纖維的質(zhì)量,投入了1400多億日元研發(fā)資金,直到2003年贏得波音787合同后,才真正扭虧為盈。實際上,早年的碳纖維只能做釣魚桿,而現(xiàn)在的碳纖維已成為先進(jìn)航空器的支撐材料。同樣叫碳纖維,但是東西不一樣,強(qiáng)度完全不一樣。相信石墨烯材料也會走同樣的路,需要時間的積淀,需要持續(xù)的投入,更需要耐心。
石墨烯制備決定其未來不盡相同
制備決定未來。現(xiàn)在的石墨烯并不等同于未來的石墨烯。
石墨烯可以分成兩大類,粉體石墨烯和薄膜石墨烯,制備方法不同,用途也完全不同。從大規(guī)模生產(chǎn)的角度講,粉體石墨烯通常從石墨出發(fā)制備,通過一系列的物理化學(xué)過程把石墨烯從塊體石墨上剝離下來。這種石墨烯一般質(zhì)量較差,但產(chǎn)量很大,也比較便宜。目前國內(nèi)產(chǎn)能已達(dá)到7000噸規(guī)模,實際產(chǎn)量也就百噸規(guī)模。
化學(xué)氣相沉積方法是規(guī)模化制備薄膜石墨烯的通用技術(shù),所得到的石墨烯質(zhì)量很高,當(dāng)然也比較貴,目前國內(nèi)產(chǎn)能已達(dá)到年產(chǎn)百萬平米量級。北京大學(xué)在高質(zhì)量石墨烯制備方面做了大量的研究探索,在標(biāo)號石墨烯薄膜、三維粉體石墨烯、超級石墨烯玻璃以及超級石墨烯光纖等研究領(lǐng)域取得一系列重要突破。
需要關(guān)注引領(lǐng)未來的核心技術(shù)
未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)會是一塊大蛋糕。當(dāng)然,這塊蛋糕我們能夠切到多少是個未知數(shù)。取決于我們現(xiàn)在關(guān)注什么,我們需要關(guān)注的是引領(lǐng)未來的核心技術(shù),而不僅僅是今天的產(chǎn)品。當(dāng)然,從一個實驗室材料和技術(shù)走到產(chǎn)業(yè)需要很長的路,需要投入、堅持和耐心。
中國擁有最龐大的石墨烯研究隊伍,但是非常分散,基本上是小作坊式的。到處搞石墨烯產(chǎn)業(yè)園的做法,大部分是簡單重復(fù),缺少技術(shù)含量,急功近利現(xiàn)象非常嚴(yán)重。
很多人誤認(rèn)為石墨烯產(chǎn)業(yè)會很快走向大規(guī)模快速發(fā)展階段,實際上并非如此。根據(jù)高德納公司(Gartner)的技術(shù)成熟度曲線,實際上石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于早期階段,很快就會進(jìn)入死亡谷,這時候最需要的是堅持、企業(yè)遠(yuǎn)見和國家意志。碳纖維從小批量生產(chǎn)到現(xiàn)在已有45年,而石墨烯只有12年的歷史,的的確確跑得有點(diǎn)快了。石墨烯產(chǎn)業(yè)畢竟是實體產(chǎn)業(yè),絕不會像互聯(lián)網(wǎng)那樣一“忽悠”就起來。
當(dāng)然,我們也看到了希望。北京市剛剛啟動了石墨烯專項,跨度是十年,從“十三五”到“十四五”規(guī)劃。我們的布局絕不僅僅是今天的產(chǎn)品,重點(diǎn)是未來的核心技術(shù)研發(fā)。
北京市的另一個重要舉措是成立北京石墨烯研究院,希望該研究院能夠引領(lǐng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來。這個研究院生產(chǎn)的是技術(shù)以及技術(shù)派生出來的企業(yè)群,還有最終的石墨烯產(chǎn)業(yè),而不是今天的產(chǎn)品。
石墨烯產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的三大可能
石墨烯行業(yè)究竟前途無量還是曇花一現(xiàn)?首先,制備決定未來,尤其重要的是要有工匠精神。無論是什么新材料,如果我們能夠做到幾十年如一日地堅持研發(fā),以中國人的聰明才智肯定能夠做好。但是目前的做法常常不是這樣,急功近利,短平快地賺錢而已。另外,石墨烯材料需要找到殺手锏級的用途,而不是萬金油式的應(yīng)用。期待超級石墨烯玻璃能夠成為其中的殺手锏級應(yīng)用產(chǎn)品。
很多人問石墨烯究竟能走多遠(yuǎn),我給出了三種可能的前途:
第一種類似于碳纖維。相信只要石墨烯原材料制造水平不斷提升,至少會像碳纖維那樣,成為某個特定行業(yè)的殺手锏級材料。
第二種類似于塑料。一百多年前人們發(fā)明了塑料,現(xiàn)在你離不開它,我們難以想象沒有塑料的生活是什么樣子。石墨烯有沒有這樣的可能呢?的確有可能,因為用途非常廣泛。
第三種類似于硅芯片。可以說現(xiàn)在是硅時代,因為硅改變了人類的精神生活。石墨烯或許也有這個可能。
回顧人類文明的發(fā)展歷史,從石器時代、青銅器時代到鋼鐵時代,現(xiàn)在可以說進(jìn)入了硅時代。未來說不定會有“石墨烯時代”,讓我們一起期待并參與推進(jìn)這個新時代的到來。