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第6章 石墨烯：碳时代的“黑金”
这节在解决什么：第6章 石墨烯：碳时代的“黑金”[1]
怎么迁移到自己的系统：材料是人类赖以生存和发展的物质基础，推动着整个人类文明的演化。从木石泥，到铜铁钢，再到硅晶片、碳纤维，历史经验表明，人类社会每一个新时代都会有一种新材料出现，而这种新材料往往成为那一时代生产力提升的“发动机”（见专栏6-1）。21世纪，材料尤其是新材料仍将是支撑现代工业发展的基石。新材料主要是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料，在传统产业转型升级与战略性新兴产业发展中均起着基础性和先导性作用，其技术水平及产业化程度，已成为衡量一国经济与科技实力的重要标志。当今世界工业强国除了是技术强国之外，皆是材料强国。正因如此，我国将新材料产业列入战略性新兴产业之中重点发展，也是《中国制造2025》力推“工业强基”的出发点。
提醒：进入21世纪，人类材料利用将全面进入碳的时代，而石墨烯（Graphene）将成为这一新时代的标志性新材料。石墨烯在光、电、磁、力学等方面具有优异的性质，并具有广阔的应用前景。在未来石墨烯有望代替硅应用于集成电路，替代氧化铟锡（ITO）制备超高效太阳能电池及可折叠的显示器。因此，石墨烯被形象地称为“黑金”“万能材料”“新材料之王”“未来材料”和“革命性材料”，甚至有科学家预言其极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术革命，进而彻底改变21世纪。
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“黑金”有多黑
这节在解决什么：2010年10月5日，瑞典皇家学院宣布了当年诺贝尔物理学奖获奖者及其获奖理由：安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）制备出了石墨烯材料，并发现其所具有的非凡属性，向世界展示了量子物理的奇妙。
怎么迁移到自己的系统：这项获奖成果无论是从其理论演进历程来看，还是获奖者的资历来看，在近30年来诺贝尔奖历史上都是比较独特的。与如今诺贝尔奖成果动辄需要几十年理论和实践检验以及获奖者往往已是古稀甚至耄耋老人的情况相比，石墨烯这一“黑金”及其获奖者都显得如此“年轻”。从其在实验室诞生那一刻起到摘下科学皇冠上的明珠仅用了6年时间，而两位获奖者当年分别是52岁和36岁！此情此景使人仿佛回到了爱因斯坦和居里夫人获奖的年代。这似乎在某种程度上再次彰显出石墨烯在物理和材料科学中“真金白银”的分量。
提醒：实际上，石墨烯的理论研究距今不过60多年的历史，其曾被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。现实中，人们常见的石墨就是由无数层石墨烯堆叠在一起构成的（厚1毫米的石墨大约包含300百万层石墨烯），用铅笔在纸上轻轻画过，留下的痕迹就有可能是一层或数层石墨烯。由于石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离成薄薄的石墨片。如果能找到方法将石墨薄片进一步剥成只有一个碳原子厚度的单层，就能得到石墨烯。正是基于这一原理，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年用机械剥离法首次成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯——一种由乙苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。特殊的结构使得石墨烯成为构成其他石墨材料的基本单元，它既可以翘曲成零维的富勒烯（巴基球），也能卷成一维的碳纳米管，还可以堆垛成三维的石墨（见图6-1）。不过，石墨烯最出名也最古怪的一点，即它是二维材料。它当然有厚度，只不过只有一个碳原子那么厚，稍微薄一点或者厚一点都不是石墨烯。如果加一层碳原子到石墨烯上，它就变回石墨；如果从石墨烯中取走一层碳原子就什么也不剩了。石墨烯的发现不仅打破了自然界中不可能存在二维结构物质的传统观念，极大地充实了碳材家族，还为促进传统产业转型升级、引领战略性新兴产业快速崛起找到了关键材料。
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石墨烯的颠覆性应用
这节在解决什么：凭借自身良好的光、电、热、力等性能，石墨烯具有诸多超乎想象的功能。例如，在塑料里掺入1%的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入1‰的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30℃。在理论上，石墨烯作为储能材料、复合材料、结构材料、功能材料在能源、电子信息、生物医药、环境保护等领域拥有广阔的应用前景（见表6-2）。利用电子迁移率高、耗能低、散热性强与体积小等特点，石墨烯目前最有潜力的应用是替代硅成为下一代的芯片材料，生产出运行速度远超现在数百倍的超级计算机，并为方兴未艾的无人驾驶技术提供强大的运算力支持。用石墨烯制成的电池能让手机充电5秒就实现电池满格，并可连续使用达半个月，能让新能源电动汽车充电10分钟行驶1000公里（超过传统汽车的续航水平）。用石墨烯制成的柔性触摸屏能让手机、Pad等电子设备随意弯曲。石墨烯良好的生物相容性，让其可以用于药物载体和制作人造骨骼。比起微米级的细菌，纳米级的石墨烯要比其小1000倍，这使石墨烯能如利刃般直接把细菌杀死，故而利用石墨烯制成的新型抗菌药能替代抗生素，以解决抗生素滥用问题。利用石墨烯的吸附、“零渗透”性能，可以用其治理水污染、大气污染、土壤污染与谈化海水。优异的机械性能可以让石墨烯取代铝、钢成为制造各种设备、器件的新型材料，制造出超薄超轻型的飞机汽车、超轻超坚韧的防弹衣、高强度橡胶、塑料等产品。用石墨烯制造的射频器件可以实现超高速、超低噪声、超低功率的射频电路，对通信、电子战、雷达及其他国防系统将产生重大影响。
怎么迁移到自己的系统：放眼未来，如果石墨烯的性能被彻底发挥出来，那么大数据、物联网、云计算、智能设备等各项前沿领域将会取得重大突破，不仅将会实现“万物互联”，人们习以为常的生产生活方式也会被彻底颠覆。单单是畅想未来，你可以穿着由石墨烯制成的超薄超轻的衣物，坐在依靠石墨烯电池驱动的新能源汽车里，还能够用石墨烯手机实时操控家里、办公室里的各种设备，就足以让人血脉扩张！
提醒：表6-2 石墨烯的主要应用领域
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决战新材料之巅
这节在解决什么：鉴于石墨烯无与伦比的性能及其蕴含的巨大应用潜力，加之2010年诺贝尔物理学奖颁发给石墨烯发现者产生的轰动效应，世界各国政府、科技界与产业界都在不遗余力地推动石墨烯技术研发与产业化发展，以企业、高校和科研机构为主力军的石墨烯技术的基础研究和应用研究正在如火如荼地进行。
怎么迁移到自己的系统：截至目前，全球已有80多个国家和地区开展石墨烯及其应用研究[3]。美国、欧盟、日本、韩国等国家和地区已经意识到石墨烯极有可能是一种影响未来国家核心竞争力的关键材料，先后从国家战略高度进行部署，竞相发布多项支持石墨烯研究的政策和扶持计划（见表6-3），加大对石墨烯技术研发及商业化应用的支持力度，力争把握石墨烯技术革命和产业革命带来的机遇。
提醒：美国主要通过国家自然科学基金会（NSF）和国防部开展一系列石墨烯研究项目，重点布局石墨烯在超级电容器和下一代更小、更快的电子器件等前沿领域的应用。欧盟将石墨烯列入“未来新兴技术旗舰项目”，计划10年内提供10亿欧元资助石墨烯项目研究。
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中国石墨烯产业：向世界出发
这节在解决什么：石墨烯集多种优异性能于一身，是主导未来高科技竞争的超级材料。为抢占石墨烯产业发展的制高点，自2012年以来，中国政府较为密集地出台了多项政策支持石墨烯产业的发展（见表6-6）。2016年出台的《新材料产业“十三五”发展规划》将进一步推动石墨烯产业关键技术在“十三五”时期实现突破，并快速实现产业化。2016年9月，工业与信息化部原材料工业司提出将组织实施“石墨烯+”行动，着力构建贯通产业上下游的石墨烯产业链。另外，我国2013年7月13日和2016年7月30日分别成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟和全国首个“国字头”石墨烯材料产业技术创新战略联盟，通过促进产学研用的紧密结合，积极推动石墨烯技术的商业化应用。有别于以往标准滞后的产业政策“短板”，早在2014年1月，中国石墨烯标准化委员会还正式发布了中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》，以进一步规范中国石墨烯产业的发展[5]。
怎么迁移到自己的系统：表6-6 2012~2015年我国出台的支持石墨烯产业化发展的主要政策
提醒：在一系列政策措施的助力下，近年来我国石墨烯研发能力迅速提高，整体已接近国外先进水平。目前，我国在石墨烯主要研究领域均有涉猎，在部分领域掌握了自主知识产权并处于国际领先水平。根据江苏省石墨烯产业知识产权联盟与江南石墨烯研究院共同编写的《全球石墨烯产业专利分析报告（2016）》，我国已经成为全球石墨烯技术专利申请量最大的国家。报告的专利分析数据涉及全球石墨烯技术领域相关专利40344件，其中，中国相关专利17702件，占比43.9%。单从专利申请数量来看，我国在石墨烯领域具有相当大的科技创新优势。一旦抓住机遇，我国有望在石墨烯产业化进程方面领先其他国家，甚至主导这场技术革命，助力我国实现制造强国的“中国梦”。
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石墨烯：地方政府的新宠？
这节在解决什么：目前，我国石墨烯研发应用水平与发达国家基本同步，并且已在石墨烯粉体和薄膜的规模化制备上取得了举世瞩目的成绩，部分石墨烯产品已经在动力电池导电添加剂、防腐涂料、抗静电塑料、触摸屏等领域率先进入市场。从实验室迈向产业化应用，我国石墨烯产业在短短几年时间内就成功实现“三级跳”。不过，需要警惕的是，为了博取眼球引起资本市场关注和获取各级政府的政策优惠，我国石墨烯制备水平、制备规模与应用技术存在一定程度的浮夸。比如，现在宣称已经能实现量产的石墨烯并非单层石墨烯，而是晶格缺陷较高、多层堆叠的石墨烯类产品，只能保持石墨烯的部分特性。
怎么迁移到自己的系统：更值得注意的是，主导技术和产品尚未成熟的石墨烯又呈现“遍地开花”的局面，不少地区都将其列为“十三五”时期的支柱产业，或是地方转型升级的目标产业，甚至招商引资的重点产业。地方政府虽然如此看重石墨烯，但真正将这一技术和产业弄清楚的并不多见。在这种情况下，一些优惠政策盲目出台，一些质量不高的项目并未经过严格评审匆忙落实，甚至一些投资者打着石墨烯的旗号在园区继续跑马圈地，致使这一材料工业未来的明星尚未释放出耀眼光芒，便又有可能被低水平的重复建设锁定其产业化路径。在这种情况下，石墨烯不仅难以成为支撑新科技应用的“撒手锏”，而且很有可能沦为盲目开发、低端应用的“万金油”。
提醒：人类工业化的历史经验表明，新材料的发明制取在现代产业体系中扮演了举足轻重的角色，屡次催生出新产业甚至是新产业群。然而，新材料在产业化过程中，往往在技术、市场和组织（胜出企业）等方面存在极大的不确定性。具体来说，技术的不确定性指把新材料作为一项重大技术创新，其技术突破是个长期复杂的过程，前期往往需要大量的资金和科技投入，但技术发展路径又高度不确定，研发失败的可能性很大，需随时承受无法收回高昂研发投入的后果。市场需求的不确定性表现在新材料被开发出来后，常常无法准确定位其市场用途或用途被限制在较小的范围内，又或者广阔的市场需求要经过很久的时间才出现。此外，一项新材料能否最终实现产业化，除了技术先进之外，还会受到用户消费习惯、转换成本、市场规模及企业的市场策略甚至一些偶然因素影响。组织的不确定性主要指新材料的创新和产业化具体由哪个企业或个人实现不确定。上述不确定性导致了新材料产业化具有复杂性，进而可能出现产业链各环节发展不同步的现象。因此，必须通过以大力扶持新材料的创新活动与积极为新材料创造市场需求等方式消除上述不确定性，才能有效地推进新材料的产业化。
