《中国科学院院士刘忠范:石墨烯的杀手锏级应用仍在探索中》

  • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2018-11-29
  • 中国科技网讯(记者 史诗)“原材料是石墨烯产业的基石。从现状看,现在的石墨烯新材料不足以支撑石墨烯产业发展,因为它在性能、制造工艺稳定、制造装备以及价格上还有很大空间,石墨烯产业化道路是一条漫长崎岖的道路,需要不懈的努力和不屈不挠的精神,没有捷径,必须要耐心坚持。”11月27日,中国科学院院士、北京大学教授刘忠范在2018京津冀石墨烯大会上说。

    石墨烯因其优异的物理化学性能,在新能源、电子信息、武器装备、生物医药等领域极具发展潜力,有望成为引领新一代工业技术革命的战略性前沿材料。近年来,工信部非常重视石墨烯产业的发展,联合有关部委先后印发了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。《新材料产业发展指南》等重要文件,明确石墨烯产业发展目标、重点和路线图。

    北京是全球石墨烯科技优势资源的聚集地。去年年底,北京市委市政府印发了北京市加快科技创新,发展新材料产业的指导意见。其中明确提出:重点突破石墨烯器件等技术,形成一批具有全球影响力的创新成果和核心专利,抢占全球新材料技术的制高点。

    政策指引下,北京市以建设北京石墨烯产业创新中心为契机,推动成立了北京石墨烯研究院,北京石墨烯技术研究院有限公司等一批国内领先的新型创新载体,充分发挥北京科技创新资源集聚的优势,加快行业关键共性技术通关,提升产业化进程。

    作为北京石墨烯研究院首任院长,刘忠范认为,一般情况下,一个新技术、高新技术、高新材料的发展,从基础研究、从实验室里的研究走向产业化一般有5个阶段。“我在北京大学的团队2008年开始做石墨烯研究,整10年历史。早年做基础研究,后来逐渐过渡到产业核心技术方向,再到批量的制备以及组建工程中心、与企业建联合实验室。”

    “石墨烯的杀手锏级应用仍在探索中。我们需要关注石墨烯材料可能带来的新产业,以及推动传统产业升级变革的技术,这些应该是未来石墨烯产业的支柱。”刘忠范说。

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    • 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。
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    • 15年来,石墨烯从基础研究的“幕后”逐渐走向市场。对于这一年轻的新材料,我们如何找到杀手锏级的应用?如何用创新思维搞活石墨烯产业?对此,经济网、《经济》杂志记者在两会期间专访了第十三届全国政协常委、中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范。 “怎么强调研发都不为过” 《经济》:工信部赛迪智库发布的一篇石墨烯研究报告指出,“北京是石墨烯产业的研发高地”。您是否认同?还有哪些不足? 刘忠范:北京集聚了全国一半以上的科技研发力量,也正在建设全国科创中心,它应该在科技创新方面引领全国、服务全国。对于石墨烯产业来说,北京作为研发高地,是产业的发动机、驱动器,这也是北京的特色和优势所在。北京石墨烯研究院(以下简称BGI)和北京石墨烯技术研究院这两家研发平台加在一起,是少有的实力很强的高“配置”。从这个角度来说,北京作为石墨烯研发高地的说法当之无愧。 石墨烯作为一种新材料,它的历史很短,相当一部分的应用还在研发之中,远谈不上成熟。所以,怎么重视研发都不为过。从如何做材料、做好材料以及如何把材料从实验室变成工程化、规模化的成品,当然也包括怎么用好石墨烯等方方面面都需要研发。 然而,石墨烯产业才刚刚开始,还有非常多不足。众所周知,产业成熟需要时间。重视研发的确很重要,这是来自产业本身的需求,也来自于北京在整个石墨烯产业链上的定位。 “让石墨烯天生我材必有用” 《经济》:从行业观察来看,中国石墨烯产业呈现出分层的现象,对此您怎么看? 刘忠范:作为一个产业来说,分层是正常现象。从产业的时间轴来看,不同层级的东西在不同时间出现也很正常。在初级阶段,大家关心产业落地的应用与中期、后期关心的应用应该是分层级的,甚至是完全不同的。在未来,石墨烯应该往哪个方向发展,行业认识会经历一个逐渐深化的过程。但我更关心的是,石墨烯在产业布局上应该分层级。我们需要关注现在容易产业化的应用,比如,石墨烯电加热产品、石墨烯防腐涂料、石墨烯改性电池等。 在产业发展初期,企业之间也难免会出现同质化现象和低水平的竞争。但绝不能仅限于此,还要有中长期布局、面向未来的布局。从某种意义上讲,我们国家关心的事情与国外常常不在一个频道上。我们关注的是现在能立竿见影、带来利益的东西,而国外的石墨烯“玩家”更关注的是未来型的应用,甚至看起来不太靠谱。对于一个远未成熟的新材料产业而言,显然都不能偏废,仅关注现在肯定是目光短浅的行为。 《经济》:您觉得如何用创新思维来做石墨烯产业? 刘忠范:任何一个产业,尤其是研发,必须要创新。从某种意义上说,创新就是无中生有,不能人云亦云。在任何一个行当都需要创新思维,我认为,石墨烯行业更需要它。从2004年底第一篇石墨烯热点文章问世到现在快15年时间了。在前十年里,基础研究矿藏丰富,经常有各种发明和发现,后来相对减少了。最近一段时期,在《Nature》、《Science》等著名期刊上又陆续出现了一些非常有创意的观点,这说明石墨烯领域的创新空间仍然很大。创新常常是跳跃式思维,而不是简单的逻辑推理,因为石墨烯导电性好就考虑导电用途,导热性好就考虑导热问题,这种思维大家都有。如果能够做到“他竟然把它用到那个地方去了。”让大家意想不到,这才是创新,才是原创,石墨烯产业应该沿着这种创新思维来发展。 “做有竞争力的石墨烯装备” 《经济》:您一直强调装备与制备同等重要,2019年BGI在石墨烯装备上将有怎样的布局? 刘忠范:我一直强调装备的重要性,对于新材料产业来说,最后竞争的是装备和工艺。石墨烯新材料产业发展到最后拼的是装备。而装备一直是我国材料产业、制造业的短板。我从一开始就有一个信念:一定要做装备,同时做批量化生产装备,好的装备才能做出好的石墨烯材料,才能立于不败之地。 2019年,BGI在石墨烯装备研发上有大的布局,落实“三部曲”。一是,扩大装备研发团队规模,成立装备研发中心;二是,组建装备公司,通过商业化运作和市场引领让我们的石墨烯装备实现从产品到商品的跨越,参与装备领域的市场竞争;三是,建立装备制造基地。BGI正在寻找合作伙伴和推进选址工作。装备制造将成为BGI新的增长点。 《经济》:去年两会,您提了“研发代工”的提案。在“研发代工”过程中如何注意产权保护问题? 刘忠范:“研发代工”是一个全新的概念,需要“摸着石头过河”,在探索中逐渐走向成熟。与普通的“项目制”合作不同,“研发代工”是给合作伙伴企业建立专用的专业性研发中心。“研发代工”模式的产学研协同创新采用从基础研发到产业化落地的全过程捆绑制,BGI负责市场导向的技术研发,用企业的钱做企业的事,合作伙伴企业负责产业化落地,双方按约定的比例分享成果转化带来的市场利益。“研发代工”是“一夫一妻制”,团队和成果归双方所共有;而“项目制”是“一夫多妻制”,因为合作伙伴并未买断团队,团队的智力还可以挪作他用,为他人做事。这种新的产学研结合模式真正做到了优势互补,各司其职,既解决了企业缺少研发能力的现实问题,又回避了教授办企业的高风险。“研发代工”可以有效解决企业、尤其是偏远地区的企业人才引进难的现实问题,对企业已经产生了强大的吸引力。短短数月时间,BGI已经建立了多个企业研发代工中心,显示出强大的生命力。