王永生

近些年，石墨烯已被公眾熟知，是由碳原子組成的二維晶體，僅有一層原子厚度，卻是目前發(fā)現(xiàn)強度最大，導(dǎo)電性最強的材料。石墨烯成了當今最炙手可熱的新材料之一，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、航天等傳統(tǒng)領(lǐng)域及新能源、新材料等新興領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。

一款神奇的材料

2010年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，兩位最早發(fā)現(xiàn)并揭示石墨烯獨特性質(zhì)的科學(xué)家獲得當年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯從此進入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的新星。

進入10月份以來，國內(nèi)石墨烯會議活動南北開花，關(guān)于石墨烯產(chǎn)業(yè)化的討論如火如荼。這個從陌生到被大眾熟知的一款熱門材料，為何如此備注關(guān)注？其產(chǎn)業(yè)化之路如何走呢？

石墨烯不是一種天然存在的材料。人們常見的石墨是由可以機械剝離的石墨片組成。由于石墨片層與層之間作用力較弱，當石墨被剝離至單層，僅有一個碳原子的厚度時，這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。

在材料大家族中，石墨烯只是個晚輩。2004年，海姆和諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開膠帶，石墨片就被減薄，一分為二。如此反復(fù)操作，薄片越來越薄，最終在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了石墨烯。人們發(fā)現(xiàn)，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

石墨烯的應(yīng)用非常廣泛，在電子、航天軍工、新能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，被稱為有望引發(fā)現(xiàn)代電子科技新革命。石墨烯問世時間雖短，但其高強度、高導(dǎo)電性、極輕薄等優(yōu)勢，使產(chǎn)業(yè)界迅速嗅到了其在電子、航天軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域可能的應(yīng)用潛力。

目前的電子器件工業(yè)中，硅是主流的材料，而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中國科學(xué)院物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士高鴻鈞表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，成為國際上的研究熱點和競爭焦點。

對于石墨烯的行業(yè)應(yīng)用，北京碳世紀科技有限公司董事長閆立群感受頗深，他認為，從技術(shù)應(yīng)用角度來說，石墨烯的發(fā)展方向更需要貼近產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)。行業(yè)應(yīng)用層面要圍繞石墨烯的特性進行材料改性，即改變普通材料的特性，比如空氣凈化器、電池等時下熱度比較高的產(chǎn)品中通過添加石墨烯來提升性能。但具體應(yīng)用要看主要是利用石墨烯哪方面的性能，是吸附能力？還是作為活性載體來提高活性？還是利用其強度？看用于什么，不能走向一個“為用石墨烯而使用石墨烯”的誤區(qū)。

康斯坦丁·諾沃肖洛夫接受采訪時表示，石墨烯材料在世界各地分布都很廣泛，將來石墨烯有非常廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些與民眾生活相關(guān)的石墨烯產(chǎn)品開始在市場銷售，這都是非常好的勢頭。

中國與石墨烯

如果把時光倒流5年，2015年被稱為是中國石墨烯元年。彼一時，石墨烯材料在中國“紅的發(fā)紫”。對于我國石墨烯的研究，高鴻鈞提出的看法是，我國起步雖相對較晚，研究跟進卻很快，我國在國際權(quán)威期刊上發(fā)表的與石墨烯相關(guān)論文已經(jīng)居世界第一。

數(shù)據(jù)顯示，截至今年6月底，我國在工商部門注冊、營業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已達到1.68萬家。全國已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個，石墨烯研究院54家，石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個，石墨烯聯(lián)盟12個。

從石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量來看，2011年起，我國就在全球領(lǐng)先，目前占比超過全球的三分之一。石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量在我國也是最多的，約占全球七成。我國粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大，已達每年5000多噸。在薄膜石墨烯制備方面，我國也于全球領(lǐng)先，年產(chǎn)能達650萬平方米左右。

在閆立群看來，我國正由加工強國向制造強國邁進，在這一過程中與國際上的前沿技術(shù)、大企業(yè)在很多領(lǐng)域都處于同一起跑線。石墨烯就是典型案例，從理論思路到技術(shù)路線都無先行經(jīng)驗可借鑒的情況下，那就看各自的理解和研發(fā)、實驗?zāi)芰?。所有國家面對的都是新東西，需要獨立探索，我國在這方面絲毫不弱。

近些年來，石墨烯在改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、培育新興產(chǎn)業(yè)方面發(fā)揮著巨大作用，并被視為未來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點，在國家一系列政策的推動下，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

2020年10月16日，“2020中國國際石墨烯創(chuàng)新大會”在上海舉辦，該大會被稱為是一年一度的石墨烯行業(yè)大會，來自全國的石墨烯領(lǐng)域?qū)＜?、企業(yè)家、展商單位、媒體代表等近500人現(xiàn)場參加了活動。

2020年10月25日，由北京石墨烯研究院（BGI）主辦的“北京石墨烯論壇2020”開幕，來自國內(nèi)外石墨烯學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及地方政府、高校代表400余人齊聚北京稻香湖景酒店共話石墨烯發(fā)展?！吨嘘P(guān)村》雜志作為特別支持媒體參與了本次論壇。

主辦方北京石墨烯研究院坐落在中關(guān)村科學(xué)城北區(qū)中關(guān)村智谷中心，這里背靠西山陽臺山自然風景區(qū)，毗鄰翠湖濕地，依山傍水，環(huán)境優(yōu)美。致力于打造引領(lǐng)世界的石墨烯新材料研發(fā)高地和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，瞄準未來石墨烯產(chǎn)業(yè)，全方位開展石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)研發(fā)是北京石墨烯研究院的發(fā)展目標和努力的方向。自成立以來，研究院全方位布局石墨烯新材料的近中遠期前沿技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，積極探索石墨烯產(chǎn)業(yè)的基石和核心競爭力。

在北京石墨烯研究院一樓大廳墻上有這樣一行字格外醒目，“踐行工匠精神，融通政產(chǎn)學(xué)研，打造石墨烯產(chǎn)業(yè)核心競爭力”。

近年來，北京石墨烯研究院異軍突起，短短不到兩年時間已經(jīng)擁有一支兩百余人的石墨烯行業(yè)的權(quán)威研發(fā)團隊，快速發(fā)展的北京石墨烯產(chǎn)業(yè)研究院已成為中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者。

目前，中國已經(jīng)基本形成以長三角、珠三角和京津冀魯區(qū)域為聚合區(qū)，多地分布式發(fā)展的石墨烯產(chǎn)業(yè)格局。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化勢頭強勁，多個具有石墨烯特色的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心已露雛形。尤其是長三角地區(qū)，“東方碳谷”常州因其石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高度集聚而備受關(guān)注。

工信部賽迪研究院近日發(fā)布的《中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展競爭力指數(shù)（2020）》指出了全國各地石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，基本呈現(xiàn)“四個梯隊”。江蘇省以90.44的指數(shù)居第一梯隊榜首，福建省處于發(fā)展勢頭迅猛的第二梯隊，以74.78居第二梯隊首位。在發(fā)展環(huán)境指數(shù)方面，全國石墨烯政策環(huán)境整體趨好。

不過，我國石墨烯研究仍存在不足。如研究群體大、成果多，但突出性、原創(chuàng)性成果較少。另外，主要集中在基礎(chǔ)研究，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對薄弱等情況。但從總體上看，中國石墨烯基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化力量在全球仍處于第一方隊。

研發(fā)代工成為產(chǎn)業(yè)新模式

《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，要培育面向市場的新型研發(fā)機構(gòu)，希望通過戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才領(lǐng)銜，采取與國際接軌的治理模式和運行機制，協(xié)同多方資源，開展基礎(chǔ)前沿研究和共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，通過產(chǎn)學(xué)研合作，提升產(chǎn)業(yè)競爭力。如何快速解決石墨烯產(chǎn)業(yè)化問題，一直是北京石墨烯研究院重點研究的議題，并已取得了突破性成果，且廣受業(yè)內(nèi)認可。這一模式是推進企業(yè)“研發(fā)代工”服務(wù)，打造新型政產(chǎn)學(xué)研合作模式的做法，將對石墨烯領(lǐng)域科技創(chuàng)新和我國高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用。

北京石墨烯研究院院長劉忠范認為，科技與經(jīng)濟“兩張皮”的問題是阻礙創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的瓶頸。一方面，高校和科研院所產(chǎn)生了大量的科研論文和專利，難以轉(zhuǎn)化;另一方面，企業(yè)自身研發(fā)實力不足，迫切需要科技創(chuàng)新突破技術(shù)瓶頸?！拔覀兿Ｍ茉陉P(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域取得突破，解決諸多“卡脖子”問題，做出一些別人沒有的東西，提升企業(yè)和產(chǎn)業(yè)的競爭力。

“新型研發(fā)機構(gòu)一定要針對現(xiàn)存問題，把產(chǎn)學(xué)研能夠真正有效結(jié)合起來。”劉忠范表示，新型研發(fā)機構(gòu)的目的，不是純粹做基礎(chǔ)研究，也不是簡單地為特定企業(yè)服務(wù)。“新型研發(fā)機構(gòu)應(yīng)該是一個平臺，體現(xiàn)國家為解決經(jīng)濟科技‘兩張皮所作的戰(zhàn)略布局和重大舉措?！?p>

北京石墨烯研究院成立之初，劉忠范就里提出了“研發(fā)代工”創(chuàng)新模式，這是北京石墨烯研究院在體制機制創(chuàng)新方面的重要嘗試，如今已運轉(zhuǎn)近兩年，取得了很好的成果，達成了多項合作。

在這樣的模式下，研究人員有了清晰明確的技術(shù)需求牽引和市場目標，避免了當前高校和科研院所的研究人員“閉門造車”、研究成果不接地氣而很難落地的現(xiàn)實問題。對于代工企業(yè)而言，從此就有了真正的研發(fā)團隊和研發(fā)力量，確保企業(yè)自身的核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力?！斑@種產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新模式還有助于改變以盲目追求發(fā)表論文為導(dǎo)向的當前科技評價體制，引導(dǎo)廣大科研人員從事真正有價值的研究，讓國家不斷增長的科技研發(fā)投入能夠真正開花結(jié)果?！?/p>

以“粉體石墨烯規(guī)?；a(chǎn)的研發(fā)代工合作”為例，北京石墨烯研究院的代工伙伴擁有百噸級的石墨烯生產(chǎn)線，在已有制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，成立專門研發(fā)團隊，對接企業(yè)的技術(shù)升級需求，立即形成了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新團隊，共同打造引領(lǐng)世界的石墨烯粉體材料生產(chǎn)基地。

“這種結(jié)合的優(yōu)勢明顯，我們不需要從零開始投資建設(shè)石墨烯生產(chǎn)線，而企業(yè)也不需要養(yǎng)一個專門的研發(fā)團隊，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、協(xié)同發(fā)展，”劉忠范說。

研發(fā)代工模式是一個全新的、適合中國國情的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式，一方面解決了企業(yè)研發(fā)能力低的問題，同時也能解決教授直接辦企業(yè)的“怪圈兒”。

經(jīng)過十年的研究積淀，北京石墨烯研究院自主研發(fā)的超級石墨烯玻璃、第三代+半導(dǎo)體照明技術(shù)、烯碳光纖、超潔凈石墨烯薄膜制備技術(shù)以及四英寸無褶皺單晶石墨烯晶圓制備技術(shù)都得到石墨烯同行們的廣泛認可。其中，超級石墨烯玻璃賦予了傳統(tǒng)玻璃所不具備的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、生物相容性等諸多優(yōu)異特性，將大幅拓展玻璃應(yīng)用領(lǐng)域，全面推動玻璃產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級;烯碳光纖將成為傳統(tǒng)光纖領(lǐng)域的變革性技術(shù)，有望在電光調(diào)制器、超快激光器、光纖探測器和傳感器以及光纖通訊領(lǐng)域得到重要應(yīng)用;將石墨烯作為第三代半導(dǎo)體材料的外延生長緩沖層，顯著降低半導(dǎo)體薄膜的缺陷濃度，有望成為下一代半導(dǎo)體照明核心技術(shù)。

石墨烯未來可期

對于目前石墨烯發(fā)展的階段，市場對石墨烯的產(chǎn)業(yè)化仍有不同觀點，不過業(yè)界一致認為石墨烯的未來非?？善?。

為全面了解我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，摸清行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，為國家未來石墨烯戰(zhàn)略規(guī)劃和政策制定提供決策支撐，《中國石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》在“北京石墨烯論壇2020”上做了發(fā)布，該報告全面解讀了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程、區(qū)域分布及發(fā)展現(xiàn)狀，石墨烯產(chǎn)業(yè)政策和投融資現(xiàn)狀，存在的問題與調(diào)整，并提出推動石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的對策建議等。

在應(yīng)用研發(fā)領(lǐng)域，北京石墨烯研究院碩果累累：下一代變革性的光纖技術(shù)——烯碳光纖、石墨烯烯基第三代半導(dǎo)體照明技術(shù)、新一代電池集流體——烯鋁集流體、石墨烯烯蠶絲纖維等等，這些石墨烯應(yīng)用成果的發(fā)布將會對相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性的影響。

縱觀全球石墨烯產(chǎn)業(yè)，到2023年全球石墨烯市場規(guī)模將超過13億美元，復(fù)合增長率高達47%?！?018-2019中國石墨烯發(fā)展年度報告》顯示，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)前景廣闊，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長。2018年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為111億元，較2017年增長41億元，同比增長58%。2018年以來，石墨烯粉體和薄膜的生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大。粉體方面，常州第六元素、青島昊鑫、寧波墨西等多家企業(yè)已擁有國內(nèi)領(lǐng)先的石墨烯粉體生產(chǎn)線。薄膜方面，長沙暖宇新材料科技公司年產(chǎn)量100萬平方米的石墨烯膜生產(chǎn)線已開建，建成后將成為國內(nèi)第二大石墨烯膜生產(chǎn)線。預(yù)計到2021年中國石墨烯市場規(guī)模市場可達200億元，2025年有望達到1000億元占世界市場規(guī)模超過一半，成為全球最大的石墨烯消費國家。

對于石墨烯的未來，國內(nèi)外專家學(xué)者、企業(yè)家都對寄語了厚望。劉忠范指出，石墨烯產(chǎn)業(yè)將建立在石墨烯材料“殺手锏級”應(yīng)用的基礎(chǔ)上，而不是僅僅作為“萬金油式”的添加劑和“工業(yè)味精”，“殺手锏級”應(yīng)用具有不可替代性，將會帶來傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代，甚至創(chuàng)造出全新的產(chǎn)業(yè)。

劉忠范說：“未來可能從兩個方向入手，一類是邏輯推理式的用途，另一類是出其不意的用途。邏輯推理式用途，是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如，現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃，它不是柔性的，還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性非常好，又是透明柔性的，且僅含便宜的碳原子。未來，石墨烯薄膜用作透明導(dǎo)電薄膜來制作可穿戴柔性電子器件將大有前途，或許能成為“殺手锏”級用途。非邏輯性的出其不意用途，則需要研究者創(chuàng)意思考。“比如，我們把石墨烯長到藍寶石上，與LED結(jié)合起來，做成LED照明器件——其他工藝不變，就可以將發(fā)光效率提升30%以上?！眲⒅曳墩f，一旦產(chǎn)業(yè)化，這就是下一代LED節(jié)能照明器件，會全面淘汰現(xiàn)有照明器件，也屬于“殺手锏”級應(yīng)用。

“‘殺手锏級應(yīng)用就是其他材料取代不了，所以必須基于并放大石墨烯材料的獨特優(yōu)勢，來開展‘殺手锏級應(yīng)用的探索?！?/p>

對于石墨烯行業(yè)未來的發(fā)展，劉忠范充滿信心，他堅信通過扎扎實實的研發(fā)工作，將有力帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，讓“中國創(chuàng)造”的石墨烯產(chǎn)品在世界舞臺上真正有競爭力，有影響力。

對于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化，閆立群始終執(zhí)著的堅持著。在他看來，做石墨烯就是在做一件沒人做過的事，同時要做到真正的幫助別人，運用知識、運用技術(shù)來幫助別人，讓石墨烯技術(shù)改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

高鴻均表示，我國在重視石墨烯基礎(chǔ)研究的同時，還需要加強石墨烯的應(yīng)用基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化研究。簡單重復(fù)國外的應(yīng)用研究，未來可能在專利方面受制于人。他建議，石墨烯的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究應(yīng)該齊頭并進，不可偏廢。在進一步加深對其物理特性深入研究以獲得突出原創(chuàng)性成果的同時，也要加強石墨烯產(chǎn)業(yè)化探索方面的研究。

據(jù)預(yù)計，未來5-10年，導(dǎo)電添加劑、防腐涂料、觸摸屏等低端應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化將趨于成熟，超級電容、傳感器、電子芯片等中高端領(lǐng)域也將逐漸進入產(chǎn)業(yè)化，石墨烯產(chǎn)業(yè)將進入快速成長期，市場空間將快速擴大。

人類文明發(fā)展史從從石器時代開始，到青銅器時代到鋼鐵時代以及硅時代。未來，“石墨烯時代”或?qū)⒑芸斓絹怼?/p>