《中国科学院院士黄维:做强柔性电子 打造“中国碳谷”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-12-09
  • 在新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇期,我国必须牢牢把握未来颠覆性科技创新的机遇,在进一步夯实以“PLIM”(“P”代表以物质科学为核心的基础学科,“L”代表以生命科学为核心的前沿学科,“I”代表以信息科学为核心的应用学科,“M”代表作为科学技术基础的数学学科)为代表的关键学科的基础上,加快“FAMISHED”等为代表的科学技术前沿领域的发展步伐。此处,“FAMISHED”一词指代最有可能产生颠覆性技术创新的八大领域,包括柔性电子(Flexible Electronics)、人工智能(Artificial Intelligence)、材料科学(Materials Science)、泛物联网(Internet of Things)、空间科学(Space Science)、健康科学(Healthcare Science)、能源科学(Energy Science)、数据科学(Data Science)等。

    在英语中,“FAMISHED”原意为“极度饥饿”,在此有“时不我待、只争朝夕、重点支持、实现跨越、引领未来、推动发展”的含义,也称“饥饿科技”或曰“柔性电子+”。

    柔性电子是高度交叉融合的颠覆性科技,“十四五”期间,柔性电子信息产业孕育着巨大的科技创新机会。我国迫切需要对柔性电子信息领域进行重点布局,加强基础研究与原始创新,掌握核心技术,加速孕育颠覆性技术变革和群体性技术突破,为强国战略提供坚实基础和支撑。对此,笔者有以下几点建议:

    第一,在碳基材料与光电过程结合的基础上,孕育以光电子产业为先导的柔性电子巨型信息产业,打造“中国碳谷”。突破欧美长期把持的在硅基材料与电子过程结合基础上形成的微电子产业主导产业发展的格局,引领具有超高附加值特征的战略性、主导性和支柱性柔性电子产业发展,开创柔性电子定义的新时代。

    第二,加强柔性电子颠覆性技术创新发展顶层设计。抢占战略制高点,将柔性电子列入国家“十四五”发展规划,建立长效跟踪机制,推动科技创新和技术储备,完善组织管理,明确近期、中期、远期目标,分梯次、分阶段有序推进,推动柔性电子科技创新方面取得更多突破。依托战略智库,深入开展柔性电子科技创新战略研究,为政府提供发展建议与决策咨询,为打造科技产业变革、提升国际竞争优势、重塑全球行业竞争格局提供顶层战略支撑。

    第三,完善柔性电子颠覆性技术创新发展的政策体系。出台支持柔性电子前沿探索、基础研究、应用攻关、产业转化全过程的相关政策,建立健全优先使用自主创新成果的激励机制和风险容错机制,通过设立柔性电子颠覆性技术创新支持计划,依托高水平大学设立协同创新平台,聚集全球顶尖专家,形成由战略科学家引领、两院院士牵头、各部门协同推进的发展新格局。

    第四,加大原始创新研发资金的投入力度。柔性电子颠覆性科技创新不同于传统科技创新,超高附加值、超高回报率是其显著特点,但也存在开发过程中不确定性较高、失败率高的问题,短期内成效不算突出。如果没有强大的基础研究支撑,不加大原始创新经费投入,后续超高附加值战略新兴产业的孕育将会成为泡影。国家要鼓励高校、科研机构、企业科研人员加强原始创新,聚焦柔性电子等重点领域给予更高经费投入,释放原始创新活力。

    第五,降低柔性电子颠覆性技术产业布局的准入门槛。借鉴韩国柔性电子产业发展经验,引导更多企业参与颠覆性技术创新,给予企业研发资金配套、渠道拓展、政策支持和激励措施等支持,为它们提供咨询规划和培训。引导企业加大关键核心技术的资金投入,布局柔性电子的技术核心产业,突破并发掘产业战略支撑点,提升科技成果转化效率,通过制定相关行业标准、提前谋划产业布局等,推进产业市场有序运行,发挥好市场配置资源的决定性作用。(黄维 中国科学院院士、西北工业大学常务副校长)

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  • 《中国科学院院士刘忠范:正视我国石墨烯产业现存问题》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-07-09
    • 2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年,两人借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。之后,世界范围内对石墨烯的研究、应用及投资快速升温。 作为目前世界上已知的最薄、强度最高、导电性最好且拥有强大灵活性的碳材料,人们对石墨烯在新技术领域的应用充满了想象。华为、三星、苹果和谷歌等巨头开始积累各种与石墨烯相关的专利,未来之战已在实验室打响。 中国拥有最大的石墨烯研究队伍,产业化工作正在如火如荼地进行,全国各地也在纷纷兴建石墨烯产业园。那么,中国目前石墨烯产业化情况如何?石墨烯材料的未来之路究竟在何方? 北京大学化学与分子工程学院教授,中国科学院院士、发展中国家科学院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:大家都知道石墨,石墨跟石墨烯只有一字之差,实际上石墨烯就是单层石墨片。把单层石墨片垒起来,垒到你可以看到就是石墨。而把石墨一层一层的剥下来,剥到最后就是石墨烯。石墨跟石墨烯的关系就是这样。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,其形状表现为蜂窝状、六角形结构的碳构成的二维平面,就是石墨烯。 《大国之材》: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。
  • 《中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队在柔性可穿戴电子及其应用方面取得新进展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-06-06
    • 当前人工智能快速发展,各种类人功能智能机器人层出不穷,触觉感知是人类和未来智能机器探索物理世界的基础性功能之一,发展具有触觉功能的仿生电子皮肤柔性感知器件,并实现器件与柔软组织间的机械匹配性具有重要的科学意义和应用价值。 受指纹能够感知物体表面纹理的启发,中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队在前期研究基础上(Nano Research 2017, 10(8): 2683-2691),采用内外兼具金字塔敏感微结构的柔性薄膜衬底及单壁碳纳米管导电薄膜,设计与制备了具有宽检测范围(45-2500 Pa)、高灵敏度(3.26 kPa-1)的叠层结构柔性振动传感器件-(图1b)。并建立了其摩擦物体表面时振动频率与物体表面纹理粗糙度的模型:f = v/λ(图1;v:柔性传感器相对速度运动;f:振动频率;λ:起伏间距即波长)。该柔性仿生指纹传感器可应用于物体表面精细纹理/粗糙度的精确辨别,最低可检测15 μm×15 μm的纹路,超过手指指纹的辨识能力(~50 μm×50 μm)。也能够实现对切应力、及盲文字母等高灵敏检测与识别,这些特性将在机器人电子皮肤的触觉感知、智能机械手等方面有重要潜在应用。相关结果已发表在Small (2018, 1703902, 1-9;DOI: 10.1002/smll.201703902),并被Advanced Science News以“A New Bionic Skin; Makes Sense”为标题报道(图2),论文第一作者是硕士研究生曹玉东和李铁博士。 图1. (a)手指粗糙度触觉感知仿生模型;(b)叠层结构柔性指纹传感器模型;(c)柔性传感器实现仿手指指纹织物纹理响应及其(d)最小粗糙度感知与(e)对盲文字母感知。 图2 Advanced Science News对仿生指纹柔性传感器报道 作为柔性可穿戴电子,器件与柔软组织间的机械不匹配是该领域需要解决的关键科学问题之一。针对上述关键科学问题,近期张珽研究员团队报道了一种具有褶皱核鞘结构的纤维状超延展柔性应变传感器,该传感器在全工作范围内有高灵敏度,既可以对微弱应变又可以对大应变有良好的响应。依据模型, ,(H:褶皱振幅,h:鞘层厚度,epre:纤维核预应变,ec:纤维核材料产生褶皱的临界应变,l:褶皱波长,hs:鞘层单层薄膜的厚度,n:鞘层薄膜层数),通过预拉伸-包裹-释放策略可控的引入褶皱结构,这些褶皱相互接触构成了额外的接触电流通路(图3)。该导电通路会在器件被拉伸的过程中因褶皱分开而发生明显的变化,加之鞘层为对应变敏感的MWCNT/TPE复合薄膜,因此该应变传感器在极大的应变范围内(> 1135%)均具有高灵敏度(GF: 21.3, 0%-150%; 34.22, 200%-1135%)。这些优异的性能赋予了超延展应变传感器对微小肌肉运动以及大范围的关节运动实时监测的能力,同时也可应用于植入医疗,如用于数字化评定肌腱康复(图4)。该研究成果近期发表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201800558),文章第一作者是博士研究生李连辉。 图3. (a)纤维状超延展应变传感器的制备流程示意图;(b)器件拉伸光学照片;(c)不同预拉伸条件下得到器件的应变电阻变化曲线;(d)不同预拉伸条件下得到器件的表面形貌;(e)应变传感器拉伸过程中的表面形貌。 图4. (a)由纤维超延展应变传感器制作的手环对手臂做不同动作进行实时监测的电阻变化曲线;(b)纤维超延展应变传感器监测喉咙肌肉的变化曲线;(c)纤维应变传感器绑定于大鼠肌腱上的光学照片;(d)大鼠腿部不同动作的示意图;(e)器件对大鼠腿部动作的响应。 上述工作得到了国家自然科学基金(61574163),江苏省相关人才计划(BK20170008)和中国博后基金(2017M611945)的支持。