作為一種具有顛覆性、革命性的新材料，我們該怎樣立足應用、把握好其帶給未來的改變
【轉型進行時】石墨烯：改變世界的神奇材料（上）
作為一種具有顛覆性、革命性的新材料，我們該怎樣立足應用、把握好其帶給未來的改變
【轉型進行時】石墨烯：改變世界的神奇材料（上）
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新材料產業是國民經濟戰略性、基礎性產業，是裝備和制造的基石，是核心競爭力的重要支撐。我省在高端新材料領域持續發力，推動產品向精細化、規模化、產業化、高附加值化發展，帶動全省新材料高端產業及其配套下游、精深加工等產業發展壯大。
名副其實的“新材料之王”
“這是一個柔性的鍵盤，很神奇。把它卷起來，出差時隨身帶上。”中國科學院山西煤化所研究員陳成猛展示的這款鍵盤，就是柔軟的硅膠外表包著一張紙，這張紙正是柔性鍵盤重要的功能部件。
“紙上黑色的線和點不是畫上去的，而是我們採用石墨烯調制的電子漿料印刷的線路。柔軟的線路板可使鍵盤折疊，方便攜帶。”陳成猛向記者介紹說，若將石墨烯應用於觸摸屏，手機和平板電腦便可折疊﹔若加進塑料，塑料變得又強又韌，還可以讓原本不導電、不導熱的塑料變得導電、導熱﹔若加在鋰離子電池和超級電容器裡面，就能大幅提升儲能器件的能量密度和功率密度，延長它的循環壽命……中北大學前沿交叉科學研究院院長李孟委團隊向記者展示的石墨烯壓力傳感器、溫度傳感器，在穿戴電子器件、電子皮膚、柔性顯示器等領域大顯身手。
輕得像空氣，卻又硬得像鋼鐵，它就是被譽為“黑金”的石墨烯。和熟知的石墨棒、鉛筆芯一樣，石墨烯也是由碳原子組成的。2004年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次在實驗室，通過膠帶從石墨上成功分離出一層晶體物質石墨烯，在科學界引起轟動，二人也因石墨烯方面的開創性研究於2010年獲得諾貝爾物理學獎。
作為高端碳家族的新材料，它是電子產品材料絕佳選擇，更令人感興趣的是它那許多“極端”的物理性質，造就它是目前發現的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，可用於航空航天、軍事高精尖領域，它是名副其實的“新材料之王”。在長期從事石墨烯研發的陳成猛的眼裡，石墨烯的模量達到了1TPa，是鋼鐵的200倍。如果保持石墨烯強度制成一張薄膜紙，想要刺破它，好比推開一頭大象。“如果力、熱、光、電、磁都能讓它有反應，那麼這樣一台石墨烯功能器件會有無敵超強表現力。”李孟委的研究課題更偏重石墨烯的功能應用。
保持中國在石墨烯領域的領先地位
在中科院山西煤化所石墨烯中試平台，生產線上石墨烯輕薄飄逸。石墨經過氧化、提純、干燥和剝離4個環節制備而成石墨烯，250克石墨烯原料市場售價高達12500元。石墨烯的生產工藝被中科院山西煤化所博士孔慶強解釋為：“如果把石墨看成一本書，那麼石墨烯其實就是其中的一頁，那麼我們首先要做的就是把這本書中的每一頁相互撐開，然后瞬間把每頁撕下來，變成一頁一頁的。”目前，中科院山西煤化所已經攻克了石墨烯批量制備的關鍵技術，實現了穩定、可控、低成本生產。
在中試平台的超淨間，研究人員正在對生產石墨烯相關衍生產品的器件進行組裝、測試和研究。“這一款超級電容器就是科研成果之一。別看它個頭不大，卻動力十足。它充滿電隻需要10秒，而且充放電達百萬次以上。”忙碌中的中科院山西煤化所博士王振兵對記者說，“超級電容器由於具有非常快的充放電速度、超長的循環壽命，而且它的耐候性非常強。零下四十攝氏度，它的放電容量跟常溫放電容量基本相當。”
山西的石墨烯生產是不是已經實現了產業化？陳成猛說：“目前，石墨烯實現小規模的批量化生產，正處於石墨烯應用的培育期，同時也是投資的窗口期。我們正逐步聚焦、凝練了一些石墨烯真正可能應用的方向，比如儲能，導電油墨、導熱材料，電磁屏蔽，高性能的復合材料，防腐涂料，這些領域山西都有涉及。隨著石墨烯下游應用的普及或者拓展，它的需求量會提升，這時候我們再從中試往產業化走。”
放眼全球，目前，國際上很多國家紛紛從戰略層面對石墨烯進行了部署，高度重視石墨烯產業發展，進行系統布局，投入大量資金對石墨烯行業進行支持，以期在新一輪的競爭中搶佔石墨烯產業發展的制高點。我國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一。2017年國家發改委公布《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》，將石墨烯等新材料納入其中。石墨烯成為科學研究界的“新寵兒”，創造了許多不可思議。
中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范認為，我國石墨烯基礎研究隊伍和產業化隊伍在國際上應該說也是規模最大的，三分之二的專利來自中國，從2011年開始，石墨烯研發處於全球領先。當前，山西煤化所正在牽頭制定的IEC國際標准有5項，牽頭制定的國家標准有4項。同時，還有一系列的聯盟標准和行業標准，由煤化所牽頭或者參與制定的各類標准已有20項。由此可見，在全球的石墨烯標准化方面，山西有一席之地，而且是非常重要的地位。
作為國際石墨烯標准制定領導者的國際電工委員會納米電工產品與系統技術委員會秘書長、歐盟石墨烯旗艦計劃標准負責人諾伯特法布裡丘斯談到，“截至目前，中國參與制定的石墨烯相關標准超過34%，其次是歐洲和韓國，分別佔29%和21%。我強烈建議中國繼續堅持標准制定工作，這對於保持中國在石墨烯市場的領先地位很有必要。”
立足應用，讓石墨烯影響未來
21世紀如果要有新的產業革命的話，就要靠石墨烯來引領。石墨烯的重要性可以說是不言而喻。在這樣的背景下，我國也搶抓機遇，在石墨烯高端研發方面早早進行布局，並取得了一定的成績，山西也在這方面有了一些突破。
在中北大學納米功能復合材料山西省重點實驗室，科研人員正在開展石墨烯防腐涂料的應用和工程化研究，他們研制的石墨烯聚合物復合防腐涂料，大幅提高了防腐蝕性能、機械性能和剝離強度。該校前沿交叉科學研究院石墨烯應用研究中心則將目光聚焦在石墨烯高溫壓力傳感器和高溫溫度傳感器等前沿信息領域研發方面。
在太原理工大學，科研人員利用低能電子顯微技術証實了氧化石墨烯中的氧原子以冠醚結構存在。並成功探索出了石墨烯量子點在太陽能光電器件中的應用。
在大同大學炭材料研究所，科研人員開發的液相剝離法制備石墨烯工藝，則獨辟蹊徑將石墨烯用在了農作物生產上，可使蔬菜增產30％—200％。
陳成猛認為：“石墨烯未來的產業應用和發展方向，還要從制備角度，通過我們的技術手段進一步升級，同時把它的成本進一步降低。另外，從應用角度講，我們將努力豐富下游應用場景，包括超級電容器，鋰離子電池、導電油墨、防腐涂料等多元化的應用。”李孟委坦言，在發現石墨烯的階段，我們可能錯過了，希望在挖掘它的應用階段，不再失之交臂。
本欄目內容源自山西衛視“轉型進行時”
本報記者沈佳
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