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、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熱性很好,熱導率在2000W/mK(導熱系數)左右,而石墨烯的熱導率達到5300W/mK。石墨烯還兼具柔性、透明等特性,而且只有質子能夠穿透。這些優良的特性賦予了石墨烯材料極為廣闊的應用前景,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實骨感
中國擁有全世界最為龐大的石墨烯研發隊伍,從2011年起發表的學術論文數量就穩居世界第一。中國申請的石墨烯專利數量也高居全球榜首,呈遙遙領先之勢。
目前,中國正在掀起一場轟轟烈烈的石墨烯產業化運動。全國有將近20家石墨烯產業園,這個數字還在增長。無論是發達地區,還是偏遠地區,都在建石墨烯產業園,這讓人想起1958年大躍進時期的“大煉鋼鐵”運動。
其實,對于石墨烯材料來說,理想與現實差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窩狀結構,而現實的石墨烯就像一件破衣服,由無數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。套用一句網絡語言,就是“理想很豐滿,現實很骨感”。
石墨烯材料需持續投入更需耐心
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歷史很有借鑒意義。1961年,大阪工業技術試驗所進藤昭男發明聚丙烯腈基碳纖維制備技術,十年后的1971年日本東麗公司率先實現工業化量產,每月1噸的規模。東麗公司沿著T300、T800、T1000的標號之路不斷提升碳纖維的質量,投入了1400多億日元研發資金,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,而現在的碳纖維已成為先進航空器的支撐材料。同樣叫碳纖維,但是東西不一樣,強度完全不一樣。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。從大規模生產的角度講,粉體石墨烯通常從石墨出發制備,通過一系列的物理化學過程把石墨烯從塊體石墨上剝離下來。這種石墨烯一般質量較差,但產量很大,也比較便宜。目前國內產能已達到7000噸規模,實際產量也就百噸規模。
化學氣相沉積方法是規模化制備薄膜石墨烯的通用技術,所得到的石墨烯質量很高,當然也比較貴,目前國內產能已達到年產百萬平米量級。北京大學在高質量石墨烯制備方面做了大量的研究探索,在標號石墨烯薄膜、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域取得一系列重要突破。
需要關注引領未來的核心技術
未來的石墨烯產業會是一塊大蛋糕。當然,這塊蛋糕我們能夠切到多少是個未知數。取決于我們現在關注什么,我們需要關注的是引領未來的核心技術,而不僅僅是今天的產品。當然,從一個實驗室材料和技術走到產業需要很長的路,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。到處搞石墨烯產業園的做法,大部分是簡單重復,缺少技術含量,急功近利現象非常嚴重。
很多人誤認為石墨烯產業會很快走向大規模快速發展階段,實際上并非如此。根據高德納公司(Gartner)的技術成熟度曲線,實際上石墨烯產業仍處于早期階段,很快就會進入死亡谷,這時候最需要的是堅持、企業遠見和國家意志。碳纖維從小批量生產到現在已有45年,而石墨烯只有12年的歷史,的的確確跑得有點快了。石墨烯產業畢竟是實體產業,絕不會像互聯網那樣一“忽悠”就起來。
當然,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”規劃。我們的布局絕不僅僅是今天的產品,重點是未來的核心技術研發。
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石墨烯產業的未來。這個研究院生產的是技術以及技術派生出來的企業群,還有最終的石墨烯產業,而不是今天的產品。
石墨烯產業未來發展的三大可能
石墨烯行業究竟前途無量還是曇花一現?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,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用。期待超級石墨烯玻璃能夠成為其中的殺手锏級應用產品。
很多人問石墨烯究竟能走多遠,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,成為某個特定行業的殺手锏級材料。
第二種類似于塑料。一百多年前人們發明了塑料,現在你離不開它,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。
回顧人類文明的發展歷史,從石器時代、青銅器時代到鋼鐵時代,現在可以說進入了硅時代。未來說不定會有“石墨烯時代”,讓我們一起期待并參與推進這個新時代的到來。