重磅級的石墨烯應用研究成果正陸續涌現

 

　　國際上的研究熱點是石墨烯的導電性、導熱性、制備方法以及納米材料等，相關專利主要在石墨烯的制備、能源、顯示技術、納米材料及復合材料等領域；我國的研究主要集中在納米材料、材料應用研究等領域，相關專利集中在石墨烯的制備和石墨烯復合材料的應用領域，專利數量超過2200多項，約為全球的1/3。從公開報道看，全球一些有影響的重磅級成果包括：

 

　　最小最快的晶體管

 

　　2009年12月1日在美國召開的材料科學國際會議上，日本富士通研究所宣布，在鐵質襯底上制成7.5厘米直徑的大面積石墨烯薄膜，在此基礎上配置電極和絕緣層，制成了幾千個石墨烯晶體管。如進一步擴大石墨烯面積，還可制作出石墨烯集成電路。2011年4月IBM向媒體展示了新開發的最快的石墨烯晶體管，該產品每秒能執1550億個循環操作，比之前的試驗用晶體管快50%。

 

　　低成本、高比容量的石墨烯電池

 

　　2013年，美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新型儲能設備，可以將充電時間從過去的數小時之久縮短到不到一分鐘。

 

　　單分子傳感器

 

　　2010年，美國萊斯大學利用石墨烯量子點，制作單分子傳感器。萊斯大學將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成絕緣體的石墨烷。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導電的石墨烯阱，可作為量子阱。這一技術可用來制作化學傳感器、太陽能電池、醫療成像裝置或是納米級電路等。

 

　　全球最小光學調制器

 

　　加州大學勞倫斯國家實驗室的張翔教授等組成的研究團隊于2011年宣布，將石墨烯鋪展在一個硅波導管的頂部，建造出了一款能打開或關閉光束的光調制器。每個石墨烯調制器的傳輸速度比銅導線快約千倍。

 

　　石墨烯電容觸摸屏

 

　　2012年1月8日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技公司聯合相關企業通過聯合研究，實現了石墨烯薄膜材料和現有ITO模組工藝線的對接，全球首次成功制成電容觸摸屏手機樣機，并完成了功能測試。這款近于透明的超級薄膜手機具有觸摸屏的基本功能。2014年5月，常州二維碳素科技有限公司宣布其第一條年產3萬平方米石墨烯透明導電薄膜生產線實現量產。

 

　　用于海水淡化的氧化石墨烯薄膜

 

　　2014年，中國科學技術大學與英國曼徹斯特大學合作，發現了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。石墨烯表面本來是排斥水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛細通道卻允許水快速滲透。未來如生產出過濾裝備，可在幾分鐘內即可將一杯海水淡化成飲用水。

 

　　納米二沖程發動機

 

　　2014年，新加坡科學家用石墨烯研制出納米發動機原型，其原理與常規二沖程發動機完全相同，單層原子厚的石墨烯作為活塞，而激光則起到了火花塞的作用。通過與微機電系統（MEMS）納米機電系統（NEMS）技術的結合，納米發動機產生的機械能將有望為納米器件和納米機器人提供動力。

 

　　石墨烯漿料

 

　　2014年5月28日，寧波墨希公司推出了石墨烯漿料和粉末系列新產品，主推產品為平均厚度3納米的多層石墨烯微粉材料，售價僅為1元/克。寧波墨西公司希望憑借低廉定價促進下游用戶加強新產品研發，促進石墨烯在鋰電池、超級電容器、高分子復合材料、導熱散熱膜、功能涂料、國防軍工等領域的廣泛應用。

 

　　可穿戴設備

 

　　未來在智能穿戴等生活領域，還將涌現石墨烯的殺手級產品。石墨烯生活應用新品已應用在座墊、腰帶等領域，這恒溫產品可通過智能化終端進行控制，將徹底顛覆人們對傳統保暖產品及方式的認識。

　　各國政府競相加強對石墨烯的研發部署

 

　　美國政府先后投入超過近一億美元研制石墨烯材料。2006年以來，美國國家自然科學基金等機構連續資助石墨烯的基礎和應用研究項目。國防部高級研究計劃署2008年投入2200萬美元開發超高速和超低能量應用的石墨烯基射頻電路。2012年IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，計劃最近幾年投入30億美元研究下一代芯片技術。

 

　　歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，于2013年起在10年內提供10億歐元資助，該項目吸納了歐盟15個成員國的100多個研發團隊，其中包括4名諾貝爾獎得主。

 

　　作為諾貝爾獎獲得者所在國，英國政府2011年宣布投入5000萬英鎊支持石墨烯研究，2013年英國政府聯合歐洲研究與發展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院，2014年聯合馬斯達爾公司追加投資6000萬英鎊成立曼徹斯特大學石墨烯工程創新中心。

 

　　德國于2010年啟動了石墨烯優先研究計劃，包括38個研究項目，前3年預算經費為1060萬歐元。2012年10月，德國慕尼黑工業大學的科學家成功制成石墨烯光電探測器。

 

　　日本經濟產業省從2011年開始投入9億日元，重點支持碳納米管和石墨烯的合成技術。

 

　　韓國通商資源部從2013年開始，在6年內投入4230萬美元，將六大集團（含45家企業、研究機構）列為石墨烯產品的開發先鋒，協助這些企業將石墨烯的應用產品與相關技術商業化。

 

　　我國科技部已從863計劃、973計劃、科技重大專項等途徑安排了石墨烯研究項目。如“十一五”期間的863項目“石墨烯的控制制備及其在光電領域的應用”、“基于石墨烯電極的PbSe/CdSe量子點太陽電池”；“十二五”973計劃圍繞“石墨烯材料的宏量可控制備及其應用基礎研究”、“石墨烯基電路制造設備、工藝和材料創新”等方向部署了一批重大項目，取得了一批創新成果，國際影響力逐步提升。

 

　　自然科學基金委已陸續撥款超過3億元資助石墨烯相關基礎研究項目，將“介電襯底上高質量大面積石墨烯信息器件的構筑與特性研究”項目等列入“十二五”期間第三批19個重大項目。2014年和2015年與石墨烯相關的資助項目分別達到385項和396項。

 

　　2012年，工信部發布《新材料產業“十二五”發展規劃》有關前沿新材料就包含石墨烯。“十三五”規劃將再度支持石墨烯，包括：出臺石墨烯產業發展指導意見；建立石墨烯產業聯合創新中心；成立產業發展聯盟。

 

　　各地方政府也設立了石墨烯產業化資金。如寧波市制定了《寧波市重大科技專項“石墨烯”產業化應用開發計劃》，設立了“石墨烯產業化應用開發”專項資金，每年安排3000萬元，三年共9000萬元，用于支持“石墨烯產業化應用開發”。

 

　　石墨烯產業創新體系已然成型

 

　　隨著石墨烯的下游應用需求逐步開展，更多的科研機構和企業正參與到石墨烯的研制中。我國的主要企業和機構包括：江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司、上海南江集團、中科院寧波材料所、中科院重慶綠色智能技術研究院、重慶墨希科技有限公司、寧波墨西科技有限公司、廈門凱納石墨烯技術有限公司、泰州巨納新能源有限公司、唐山建華集團、天津普蘭納米科技有限公司、南京先豐納米材料科技有限公司、鹽城納新天地新材料科技有限公司等。相關企業、科研機構和地方政府圍繞石墨烯材料的研發和產業化，通過設立研究院、科技園、創新平臺、產業創新基地等模式，建立了多層次的產業技術創新體系。

 

　　目前，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟正在組織成員編制國際石墨烯標準，依托聯盟建立項目融資、孵化、并購等于一體的石墨烯產業服務體系。聯盟已經與東旭光電等上市公司合作建立10億元規模的相關基金。

 

　　隨著越來越多的材料研究團隊投身于石墨烯材料研制中，半導體材料、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示等領域正在發生革命性的技術進步并向產業化階段快速進發。可以預見，任何一個領域的量產都將引爆下一個萬億級產業。