本文原載于學習時報，作者：劉忠范，中國科學院院士，北京石墨烯研究院院長。現(xiàn)任全國政協(xié)常委、九三學社中央委員會副主席。主要從事石墨烯等納米碳材料研究，在石墨烯、碳納米管的化學氣相沉積生長方法研究領域做出了一系列開拓性和引領性的工作，是國際著名石墨烯專家。發(fā)表SCI檢索學術論文550余篇，申請中國發(fā)明專利80余項。曾獲日中科技交流協(xié)會“有山兼孝紀念研究獎”、香港求是科技基金會杰出青年學者獎、中國分析測試協(xié)會科學技術獎一等獎、教育部高等學?？茖W技術獎自然科學一等獎、國家自然科學二等獎兩次、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、日本化學會膠體與界面化學年會Lectureship Award（2016）等。
有這樣一種堅韌的薄膜，它能以一個鉛筆尖的承受面，撐住一頭大象的重量，而不會被戳破，這種材料就是石墨烯。石墨烯是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的首個二維元素晶體，它幾近透明，卻異常柔韌，且能彎曲。它的厚度僅為頭發(fā)絲的二十萬分之一，強度卻是鋼的200倍，有研究資料顯示石墨烯是目前人類發(fā)現(xiàn)最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，在全世界備受推崇，被認為是21世紀重大的科學發(fā)現(xiàn)之一，是改變世界的一種材料。
在新一輪產業(yè)升級和科技革命背景下，新材料產業(yè)被視為推動未來高新技術產業(yè)發(fā)展的基石和先導，將會對全球經濟、科技、環(huán)境等領域的發(fā)展產生廣泛而深刻的影響。尤其是石墨烯“多才多藝”的性質使人們對其廣闊的應用前景產生了無窮的想象，有的科學家認為未來技術革命最大的顛覆性事件之一，可能就是石墨烯代替硅成為信息技術的基礎材料，石墨烯還可能在能源、交通、航空航天、柔性電子和醫(yī)療保健等領域大放異彩。中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一，有專家預測，未來石墨烯每年將撬動萬億級的產業(yè)鏈。作為一種新材料，石墨烯究竟有哪些神奇之處?有哪些顛覆式的應用能影響和改變人們的生活?我國石墨烯產業(yè)應該如何健康發(fā)展?
石墨烯我們并不陌生，鉛筆芯是用黏土和石墨做成的，當你寫字的時候在紙上一劃，石墨片就會劃下來，變成我們可看到的字。如果你寫得特別輕，說不定就能做出來單層的石墨片，也就是石墨烯。石墨烯號稱“新材料之王”，它是最薄的材料，因為它只有一個原子層的厚度;同時它也是強度最大的材料，理論上它的強度比鋼還要強200倍;它也是導電性最好的材料，熱導性是遙遙領先的。石墨烯還是完美的柔性透明材料，柔韌性特別好，可以輕易地被折疊。它還是一種透明導電薄膜材料，這也是石墨烯一個非常重要的特點。
碳材料家族是“新興”產業(yè)的搖籃，催生了金剛石產業(yè)、石墨產業(yè)、活性炭產業(yè)、炭黑產業(yè)和碳纖維產業(yè)，也因此碳材料被認為是人類文明發(fā)展的助推器。石墨烯作為碳家族材料中的新成員，因其擁有獨特的物理性能而備受關注。
從目前看，石墨烯可用來制作保暖產品、衣服等日用品;作為硅的替代品，石墨烯可制造超微型晶體管以及新一代電子元件，石墨烯運用在計算機芯片上，能大幅度提高計算速度;石墨烯還適合用來制造透明觸控屏幕、發(fā)光板、太陽能電池板等產品。從未來看，石墨烯將在電子信息、新能源、航空航天、柔性電子及儲能、海洋工程防腐等領域發(fā)揮重大作用。
石墨烯有三種不同的形態(tài)：一種是粉體，一種是薄膜，還有一種是纖維。材料形態(tài)不同，用途也不一樣。
石墨烯在大健康和電熱領域有著廣闊的應用前景。石墨烯是非常理想的遠紅外輻射材料，石墨烯的波長是3—15微米左右，人體發(fā)射的紅外頻譜和石墨烯基本上是類似的，有人說石墨烯能夠發(fā)射生命光波，就是這個意思。這種光波被人體吸收之后，可以提高免疫力，改善血液循環(huán)，甚至會增強新陳代謝。石墨烯發(fā)熱效率非常高，尤其是電熱響應速度非?？?，這是比其他材料優(yōu)越的地方。它的電熱轉換效率高達90%以上，電能轉換成熱能效率高，就意味著可以節(jié)能、節(jié)電，這是石墨烯作為電熱和大健康材料一個非常重要的優(yōu)點，實際上現(xiàn)在國內很多企業(yè)都在做這類產品的研發(fā)工作。北京石墨烯研究院發(fā)明的一種石墨烯玻璃纖維材料，這種材料看起來就像一塊布，加上電壓之后，就可以作為加熱片，像電阻絲那樣去把水燒開。它最大的特點是升溫速度特別快，加上24伏的電壓，在20秒左右的時間溫度可以升到900度，電熱轉換效率超過90%，這比普通的電阻加熱高很多，利用這種材料可以大幅度地節(jié)能、節(jié)電。
石墨烯在汽車領域也有著很廣闊的應用前景，用石墨烯這種復合材料做汽車車身，可以讓汽車變得更輕、更節(jié)能，跑得更快。實際上，英國已經推出了用石墨烯復合材料做的汽車。
在中國石墨烯用途最多的是石墨烯電池。從嚴格意義上講，不能叫石墨烯電池，其實就是鋰離子電池摻上一點石墨烯，改善它的性能。怎么讓汽車的續(xù)航里程更遠?讓汽車充電更便捷、更快速?從原理上講，石墨烯的確可以在這方面起到一定的作用，但是我們還不能過度期待。石墨烯的確對于電池的能量密度會有所提升，對充電速度可以有所改善，充電可以變得更快，但是實際效果還不像宣傳那樣好。
石墨烯恬靜低調，把勝過鋼鐵200倍的“堅強”，“掩藏”在黑黝黝的石墨易脆外表之下;柔順且富有可塑性，通體透明能被一眼看穿，卻只吸收微弱的光線。這些“非凡”之處給人們打開了一扇新的大門，進入了一個全新的世界?？茖W家們認為未來石墨烯會有很多科幻級的應用，如石墨烯電極可做大腦的接口，實現(xiàn)人機交互;石墨烯“人工喉”能使失語患者開口說話。甚至還可以借用“人工喉”的方法，把動物的語言轉換成一種相同話語，讓人類聽得懂。這些既有趣味性，又有些科幻性的應用，將打開我們對這一新材料嶄新的認知空間。
石墨烯可以做傳感器。比方說有人用石墨烯做電子鼻，能夠檢測出極低水平的有害氣體，像二氧化碳、臭氧等，用石墨烯傳感器就可以檢測出來。石墨烯的壓力感應鞋墊是劍橋大學石墨烯中心推出來的試驗性產品，這種鞋墊穿上之后可以隨時跟蹤足部的壓力分布，像運動員想提高運動水平，就要分析這些數(shù)據，反饋之后可以進一步提升運動水平。石墨烯如果做成智能貼，貼到胳膊上就可以檢測血壓、脈搏、體溫等，石墨烯在這方面有很好的應用前景。石墨烯可以做觸摸屏，因為它是透明導電薄膜。手機的觸摸屏一般是用氧化銦錫(ITO)玻璃做的，ITO玻璃是一種銦摻雜的二氧化錫玻璃片，銦是一種稀有的金屬元素，它的儲量有限，成本也比較高。ITO是一種玻璃片，它的柔性很差，石墨烯恰恰可以彌補這一點。碳不能說取之不盡用之不竭，但是跟銦相比在地球上的儲量是非常大的。超薄柔性、高導電性和高強度使得石墨烯可以做未來的觸摸屏。石墨烯的透光率非常好，透光率好意味著手機屏幕的可視性會非常好，看得更清楚?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的觸摸屏在酸堿條件下是不穩(wěn)定的，石墨烯沒有這種問題，即便是在苛刻的環(huán)境下它也很穩(wěn)定，受環(huán)境的影響比較小，從這個意義上講石墨烯在觸摸屏領域有非常好的應用前景。
石墨烯還是理想的可穿戴技術的支撐材料。用石墨烯可以做機械臂，石墨烯能起到傳感器的作用，可以指揮驅動機械手去發(fā)揮它的功能。石墨烯和下一代超快通信技術也是密切相關的。石墨烯遷移率特別高，比傳統(tǒng)的硅材料要高幾十倍，甚至更高，可以用它做更為強大的網絡，和現(xiàn)有的技術相比提高將近一個數(shù)量級，用石墨烯可以做太赫茲通信、超快光通信器件。這些都是人們正在研發(fā)的領域。
石墨烯復合材料是航空航天領域的新寵。海代爾公司復合材料研究中心已經把石墨烯用到無人機上了，輕質高強的石墨烯復合材料現(xiàn)在已經被用于提高無人機的螺旋槳葉片的機械性能和熱傳導性能。北京石墨烯研究院正在研發(fā)航空輪胎，一般情況下，飛機在起降的時候是特別費輪胎的，像國產的輪胎起降三五十次可能就要換輪胎，有了石墨烯之后，就可以大幅度提高輪胎的壽命。石墨烯還可以作為高溫合金的增強劑來使用，把一定量的石墨烯摻到高溫增強合金里面，就可以大幅度提高高溫合金的性能，在航空發(fā)動機里面可能有很好的應用。
隨著石墨烯材料研發(fā)的進展，人們也在尋找各種各樣的辦法去做出特殊的石墨烯材料。這些新材料的出現(xiàn)都會進一步加速石墨烯的實用化進程。
石墨烯作為21世紀的新材料之王，它的發(fā)現(xiàn)已經引發(fā)了全世界的關注，世界上很多國家都將石墨烯作為高技術發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，歐盟率先在2013年啟動石墨烯旗艦計劃，斥資10億歐元推進石墨烯材料的產業(yè)化發(fā)展。在美國，包括IBM、英特爾、波音等國際大公司，都投入大規(guī)?？蒲辛α窟M行石墨烯的研發(fā)并已形成相對完整的產業(yè)鏈。日本日立、索尼，韓國三星集團等大企業(yè)也都投入了大量資金和人力，從事石墨烯的基礎研究以及應用開發(fā)。
作為石墨烯原材料之一的石墨，中國具有巨大的資源優(yōu)勢，中國在石墨烯領域論文發(fā)表數(shù)量以及專利申請數(shù)量都是全球最多，基礎研究與產業(yè)化力量在全球處于第一梯隊。從2010年開始，中國石墨烯相關企業(yè)呈爆炸式增長，數(shù)據顯示，我國石墨烯行業(yè)相關企業(yè)注冊量于2019—2021年呈增長趨勢，2021年企業(yè)注冊量為13665家，較前年上升了5830家。截至9月23日，2022年新增企業(yè)注冊量為11668家。全球第一條和第二條真正實現(xiàn)規(guī)模化的石墨烯生產線也誕生在中國。但是，目前中國石墨烯產業(yè)發(fā)展“喜憂參半”，中國石墨烯生產企業(yè)主要以初創(chuàng)期的中小微企業(yè)為主，產品以實用性品種居多，同質化競爭嚴重，高端研發(fā)方面相對欠缺。石墨烯材料的開發(fā)應用如何逾越理想與現(xiàn)實之間的鴻溝?如何尋找到真正“殺手锏”級的用途?
國外特別重視石墨烯的一些基礎研發(fā)平臺的建設。一個典型的例子，在石墨烯誕生地——英國曼徹斯特大學，兩位科學家牽頭成立了國家石墨烯研究院，進行基礎研發(fā)工程應用，把大家整合起來一起往前走，推進石墨烯的產業(yè)化，這是國外石墨烯研發(fā)領域一個重要特點。中國各級政府也認識到了平臺的重要性，北京市推動成立了北京石墨烯研究院，這是由北京大學牽頭成立的一個新型研發(fā)機構。
中國其實在粉體石墨烯材料方面，產能已經達到了每年5000多噸，國外的產量加在一起也沒有我們多。在薄膜石墨烯方面我國的產能已經達到了650萬平方米，產能已經開始過剩了，這是現(xiàn)在存在的一個非常大的問題。
對于石墨烯材料來說，理想與現(xiàn)實之間還有一道鴻溝，需要花大氣力去彌補、去跨越這道鴻溝。石墨烯材料必須找到它真正的“殺手锏”級的用途。把石墨烯作為添加劑去改善性能，這談不上是“殺手锏”級的用途。真正的“殺手锏”級的用途其實會帶來傳統(tǒng)產業(yè)的升級換代，甚至創(chuàng)造全新的產業(yè)。
石墨烯新材料研發(fā)充滿著機遇，更充滿著挑戰(zhàn)，中國目前處于第一方陣，我們具有全球最大規(guī)模的基礎研究團隊，也擁有全球最活躍的產業(yè)研發(fā)團隊。對于石墨烯產業(yè)來說不能只關注現(xiàn)在，否則會丟掉未來，讓我們共同努力，打造石墨烯產業(yè)光明的未來!
