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中国科学院院士刘忠范:正视我国石墨烯产业现

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新材料在线ID:新材料再现

图片:由受访者提供,图片蠕虫的创意

2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫教授成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年,他们因对石墨烯的创新研究获得诺贝尔物理学奖。此后,石墨烯的研究、应用和投资在全球范围内迅速增加。

作为世界上已知强度最高、导电性最好、柔韧性最强的最薄碳材料,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、谷歌等巨头开始积累石墨烯相关的各种专利,未来的战斗已经在实验室打响。

中国拥有最大的石墨烯研究团队,产业化正如火如荼。石墨烯工业园区正在全国各地建设。那么,中国石墨烯产业化现状如何?石墨烯材料的未来在哪里?

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

01

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?

刘忠范的每个人都知道石墨和石墨烯只有一个词不同。其实石墨烯是单层石墨片。把单层石墨片放上去,就可以看到是石墨了。石墨一层一层剥离,石墨烯剥离到底。这就是石墨和石墨烯的关系。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,的形状是由蜂窝和六边形碳组成的二维平面,是石墨烯。

《大国之材》

tyle="color:#BF9000;">: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。


02

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。


03

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。


一纸记载,满腔情怀,欢迎指正

THE END




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