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角力石墨烯

不過形勢也不是一片灰暗,中航已經找到了適合自己的研發模式,而且我們有基數龐大的科學家和科技企業,制度變革也正在發生著。同時,石墨烯這類顛覆性的科研命題的競賽,注定是一場長跑,我們還有時間。

石墨烯是目前最為耀眼的前沿材料,是科技界和市場追逐的熱點。在這場石墨烯的角逐中,中國科技界的表現有驚喜,更有似曾相識的不足。

相比美、韓,中國有其明顯缺點。美國有富有活力的科研體系,高水準的成果和領軍人才批量涌現;美國還有專業高效的科技風投。兩相結合,成就了今日美國科創的優勢。反觀中國,半封閉的科研體系正在改革,科技成果的產業化正在摸索,科技工作者的考核和激勵機制還未走上正途。

韓國基本走過了初級模仿的階段,科研體系可以和歐美對接,可以吸納高水準海外技術人員。同時,韓國大型企業找到了自己的科創之路,在一些關鍵領域展露鋒芒。韓國政府在大型科研項目的組織上展現出其專業性。反觀中國,科研體系還有制度性障礙,無法吸引全球性人才,官產學研還未理順,地方政府對科技的投入還處于無序的“縣域競爭”階段。

不過形勢也不是一片灰暗,中航已經找到了適合自己的研發模式,而且我們有基數龐大的科學家和科技企業,制度變革也正在發生著。同時,石墨烯這類顛覆性的科研命題的競賽,注定是一場長跑,我們還有時間。

從沒有哪個新材料有過石墨烯這樣的風頭,它出現在任何行業都會被視為潛在顛覆者。

石墨烯由單層碳原子以sp2雜化軌道組成的平面薄膜,因為只有一個原子厚,被視為二維材料,是我們三維世界中的異數。拜結構特殊之賜,石墨烯是目前最薄、強度最高、導電性能最好的材料,如果愿意,這個清單可以開列很長。由此,石墨烯在儲能、集成電路等領域被寄予厚望。

石墨烯自問世以來一直很有熱度,去年的兩則新聞把這種熱度推上頂峰:特斯拉CEO馬斯克表示,采用了石墨烯的特斯拉汽車,很快能行駛805公里,相比目前電池能量密度增長近70%;西班牙科爾瓦多大學表示研究出首例石墨烯聚合材料電池,可使得電動車最多能行駛1000公里,而其充電時間不到8分鐘。充電一次可以跑500-600公里。

如果石墨烯在儲能領域發揮這么大的作用,則困擾電動車的諸多瓶頸一舉突破,新能源時代觸手可及,將大大改寫目前的能源格局,其重要性怎么強調都不為過。資本市場聞風而動,各種概念股漫天飛舞。但是,圍繞這一點,爭議尤為激烈。很多專業人士斥石墨烯為概念炒作,認為至少在目前,石墨烯所能發揮的作用被遠遠地夸大,尤其它在儲能領域的作用微乎其微。

不過爭議不妨礙對石墨烯的巨資投入,2013年歐盟委員會拿出10億歐元研究石墨,英國已投入1.21億英鎊資助曼徹斯特大學研究石墨烯,韓國知識經濟部將向石墨烯領域提供2.5億美元的資助。在中國更是熱得發燙,重慶、江蘇常州、浙江寧波已經出現了規模龐大的產業園區。2012年,工信部在新材料“十二五”規劃中將石墨烯列入前沿材料目錄。國家自然科學基金委在2007-2013年期間 資助了1096項與石墨烯有關的基礎研究計劃??萍疾繃@石墨烯的制備、工藝、材料等方向支持了一批重大專項和科技支撐計劃項目。

高難度的制造工藝

各方重金投入,除了看好其前景,也因為石墨烯是個燒錢的難題。在討論石墨烯如何應用于電池之前,獲得合格石墨烯產品是第一關。石墨烯的獨特結構是把雙刃劍,給它帶來優異特性的同時,為其產業化帶來了很多很多難點,為下游產品的制造增加了難度。

二維材料之前從來沒有獲得過,石墨烯只是科學家的一個假想,但在2004年,這個假想由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫實現,他們從石墨中分離出石墨烯,兩人也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎,后來曼徹斯特大學的石墨烯研究項目獲得了英國大筆資助。

他們的制造方法很巧妙,由于石墨的層狀結構,每個原子層之間的結合力相對微弱。若兩塊石墨相互摩擦,就會有一片石墨(包含很多層)被整體剝離。這個特性給了科學家們靈感,他們想到用“透明膠法”制造二維的石墨烯:如果用足夠強力的透明膠粘住石墨層的兩個面,然后撕開,使之分為兩片,較其本體就薄了很多,然后不斷重復如上剝離,直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個復雜工程,因為1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯。

在現實操作中,他們用了光束、電子束和原子力顯微鏡等設備來操作,遠非描述的這樣簡單。這一技術幾乎對具有片層狀結構的材料都一樣適用,他們還成功剝離了氮化硼和幾種二硫化物的二維晶體。

“這種方法能獲得目前最好的產品,但這種方法的難度太大,成本太高,限制了其批量制造的前景?!敝锌圃荷虾N⑾到y所(下稱中微所)的姜達研究員對《東方早報·上海經濟評論》記者說,他的小組正在從事石墨烯的基礎研究。記者在其實驗室對他進行了采訪,姜達用電子顯微鏡展示了他們獲得的石墨烯,顯微鏡下,石墨烯的結構隱約可見。

2014年12月姜達所在小組關于石墨烯超導的論文發表在Nature的子刊上,2015年3月12日,同一部門的唐述杰等人,在國際上首次通過引入氣態催化劑的方法實現石墨烯單晶在六角氮化硼表面的高取向快速生長。

據姜達介紹,“剝離獲得的石墨烯的質量是最好的,但只能獲得非常小的一塊,所以在產業化中很難實現。不過,通過這種辦法獲得的石墨烯對于實驗室中基礎研究是非常好的材料,石墨烯在常溫下的超高導電率,使得電子的傳輸及對外場的反應都超級迅速,幾乎達到了人們夢寐以求的境界。具體在物理性質上,即便很小一塊也對科研的幫助非常大,因為以往超導現象是在極低溫下才能顯現,石墨烯卻能在高于液氮的溫度下實現超導?!?/p>

一個原子厚的二維材料可以在實驗室獲得,但在生產線上批量獲得,即便有辦法,其成本也增加很多。而且在生產中,獲得的是單層和多層混合的產品,所以目前有很多機構和研究者,把幾個原子層厚但低于5層的薄膜材料也稱為二維材料。這一點存在爭議,蘇州第一元素納米科技公司的董事長董明,在法國波爾多獲得材料博士學位,美國佐治亞理工學院的博士后,長期從事納米材料研究,在他看來,只要沒有做到單層碳原子層,就不能稱其為石墨烯,“單層和多層產品的化學結構都不對,那它的性質也就有很大差異,怎么能都叫石墨烯呢。不能因為做不出來產品,就修改產品概念,那單層和多層干脆就是兩樣東西。單層碳原子是以碳碳雙鍵結合,多層就是石墨鱗片了?!?/p>

目前已經有大量的企業在產業化開始了嘗試。重慶墨??萍加邢薰?,在2013年達到年產100萬片石墨烯薄膜。中國最大的石墨烯粉體生產線在常州第六元素材料科技股份有限公司投產。2014年,常州二維碳素科技有限公司的石墨烯薄膜生產線,達到10億平方米的產能。

姜達對目前石墨烯的產業化謹慎樂觀,“在我看來,國內石墨烯領先的研究機構主要是清華和中科院,比如中科院寧波所、中科院金屬所等。做得較好的企業基本都是和這幾家科研機構有合作。如寧波墨西科技、常州的第六元素、二維碳素等。這都是熱門公司,而且韓國、美國的大企業也在積極介入,但石墨烯的大規模生產不是一兩年可以看到的,同樣是碳族材料的碳納米管,1990年代初就被發現了,但是到現在也沒有像樣的東西出來,已經慢慢被人遺忘了。樂觀點講,如果能解決材料質量和成本,石墨烯離成功是不太遠。不過還是要保持清醒,石墨烯雖然在實驗室能取得很好的結果,但現在下游產品開發不太順利,在微電子方面的應用也沒有成型的產品。如果下游材料沒有開發好,只要換一個材料,最終的產品線就要隨之改變很大?,F在需要很多人去做下游產品的開拓?!?/p>

董明對石墨烯的產業化成果持批評態度,“有的公司宣稱生產了幾百噸,但我沒有看到一家真正拿出達標的產品?!?/p>

目前在江浙有一大批民營企業進入石墨烯行業,據浙江大學教授、浙江納米材料開發應用協會秘書長關君正介紹,“目前產業上較為主流的做法是CVD化學沉降法和氧化還原法,其他方法不如這兩種。這兩種方法最有前途。但現在有很大的難題,由CVD法獲得的石墨烯不是一層原子,有好幾層,目前很多企業和機構在集中攻關,如果這個問題不解決,石墨烯的質量很差;而石墨烯氧化還原法相對容易一點,但污染很大,而且層數也不可控,同時,做出來的產品會在當中出現缺口,像漁網一樣有一些空格?!?/p>

姜達的同事,中微系統所的研究員丁古巧從事石墨烯的產業化已經近三年了,主要從事石墨烯粉體的產業化研究。目前丁古巧兼任上海新池能源科技有限公司的技術總監,在他看來,石墨烯產業的下游應用還是處于前期,只能做一些小應用,如生產羽毛球球拍之類的應用,市場很小。

“我們已經做了三年,2014年之前,我們只做原材料,后來正泰電器入股,現在我們自己做超級電容、電池的應用。然后和下游企業合作,我們現在已經開始做電子產品上的應用?!?/p>

丁古巧透露,新池能源由正泰電器、中微所以及丁古巧團隊三方組建,“出資方對未來三年的投入比較明確?!?/p>

2014年12月浙江正泰電器股份有限公司公告稱,“出資1012.5萬元購買上海新池能源科技有限公司80%股權。新池能源主要從事石墨烯粉體的研發、生產、銷售和服務?!?/p>

對于如何判斷哪家企業是真的在做石墨烯,丁古巧的標準很簡單,“如果企業不能參與市場競爭,不拿出產品,那就是騙人,他們的項目就有很大風險?!?/p>

金路集團是一家折戟石墨烯的上市企業,2014年12月22日,金路集團發布公告,將其與中科院金屬研究所合作的石墨烯項目相關知識產權和技術成果以1848萬元的價格轉讓,引發了幾十名股民訴訟,持有金路集團的股民認為,金路集團此舉存在利益輸送嫌疑。在此之前,金屬所在石墨烯領域是較早著手的院所,實力一直為外界所看好。而金路集團的股價也一路看漲,從2014年年初的4.86元,到2014年年中漲到8.25元。因而在金路集團突然宣布放棄石墨烯項目,自然引發反彈。

而金路集團董秘劉邦洪則訴苦,“對于石墨烯這個行業,股民沒有我們接觸得深。烯碳公司2014年全年銷售還不夠一個人工資,實驗室的技術走到產業化還有很長的路,有很大的不確定性。很多機構都沒有到現場去看,到現場看了有很大的差異?!?/p>

目前石墨烯粉體材料已經能夠在市場上銷售,它被應用于涂料添加、防腐涂料。但董明覺得這些應用和人們初期對石墨烯的高期望值相背離,“涂料是低端應用,市場不大,即便如此它還是目前僅有的幾個可以推向市場的應用。而之前石墨烯講的都是高大上的故事。要是真有成果,應該會出來一個大企業把整個行業壟斷了。但現在只是大家看到了一個苗頭,有這個方向,很多人是跟著起哄的?!?/p>

雖然目前的粉體類的應用比較基礎,但對于石墨烯企業意義重大,畢竟能夠產生現金流。常州第六元素材料科技股份有限公司(下稱第六元素)是較早進行產業化生產的企業,其首席科學家朱彥武向記者介紹了第六元素的策略,“比較科學的路徑肯定先按市場需要來,先做相對明確和容易實現的,要先有造血功能?!?/p>

朱彥武目前是中國科技大學材料科學與工程系的教授,曾經在美國得州大學奧斯丁分校進行博士后研究,師從全球石墨烯領域領軍人物Rodney S Ruoff教授,Ruoff教授在金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯領域成果豐碩。

朱彥武稱,第六元素已經和Ruoff教授達成協議,Ruoff教授將和第六元素做一些緊密合作。

以上各種紛繁復雜的研發模式中,比較引人注目的是科學家們以院所為基地,再和企業進行股份合作,甚至也有院所的科研團隊和風投直接合作。這顯然異于早先科學家完全離開院所下海創業的模式,大大降低了創業難度。

本文來自東方早報,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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