冷靜看待石墨烯熱潮

隨著石墨烯發(fā)明者——來自曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫于2010年被授予諾貝爾物理學獎，石墨烯研發(fā)熱潮迅速席卷全球。

一、石墨烯：新世紀的材料寵兒

人們常見的石墨是一層層以蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而形成的。當石墨被剝離到單層、只有一個碳原子厚度時所得到的石墨片就是石墨烯，它看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構成的平面。這種獨特的二維結構使之具有諸多優(yōu)異性能。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是目前已知的強度最高的物質，是室溫下導電性最好的材料。此外，它還具有較高的載流子遷移率、較高的室溫熱導率、超大的比表面積、高透明度等特性。

優(yōu)異的性能將帶來廣泛的應用。2012年10月，諾沃肖羅夫與其他科學家在《自然》雜志上發(fā)表了題為《石墨烯路線圖》的文章，描述了石墨烯在柔性電子（包括觸摸屏、電子紙、可折疊OLED等）、光子器件、復合材料、能量存儲、傳感、生物醫(yī)學等諸多應用領域。科學家預計，首個石墨烯觸摸屏將在三五年內上市，石墨烯電子紙樣品到2015年可以研發(fā)成功。超輕防彈衣、超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、高強度航空材料、高性能儲能和傳感器、超級電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設備進入科學家的研究視野。

石墨烯縱有萬般好處，但產(chǎn)業(yè)化前路漫漫。有分析認為，石墨烯的未來市場應用空間極大，一旦量產(chǎn)必將成為萬億級產(chǎn)業(yè)。目前，石墨烯原材料石墨的市場售價約3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯市場價高達100萬元/噸。盡管石墨烯在眾多領域擁有光明的應用前景，但實現(xiàn)這些應用的前提是發(fā)展大規(guī)模、低成本、大面積、結構與性能可調控的制備技術。從制備能力來看，大多數(shù)企業(yè)及研究機構基本在科研及中試階段，尚未具備規(guī)模化生產(chǎn)能力。從材料應用來看，科研突破也大都局限于實驗室階段，即最大的應用還是科研院校的實驗使用，并沒有真正形成下游的應用和需求，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應用還需相當一段時間。

二、各國在石墨烯研發(fā)領域紛紛加強戰(zhàn)略部署

石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚需時日，研究和創(chuàng)新是法寶。特別是自英國曼徹斯特大學兩位教授因2004年在石墨烯研究方面的杰出成就而榮獲2010年諾貝爾物理學獎后，主要發(fā)達國家對石墨烯研發(fā)的支持力度進一步加強。

1．歐盟集全歐洲力量推進石墨烯旗艦項目。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來一直通過歐盟框架計劃支持石墨烯研究，并先后啟動了“歐洲石墨烯項目”和“石墨烯旗艦項目”。其中，石墨烯旗艦項目入選歐盟委員會于2013年1月選定的“未來新興技術旗艦項目”，10年投入將達10億歐元，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，也引發(fā)了全球石墨烯領域研發(fā)競爭的升溫。這一項目的使命是幫助石墨烯從實驗室走向社會，促進經(jīng)濟增長，并創(chuàng)造新就業(yè)。石墨烯旗艦項目將組成產(chǎn)學研聯(lián)盟，涵蓋從材料生產(chǎn)到零件和系統(tǒng)集成的整個價值鏈。

2．英國欲成為世界領先的石墨烯研發(fā)中心。石墨烯是英國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略確定的重要新興技術之一。2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立總投資達6100萬英鎊的國家石墨烯研究院。英國不僅要“發(fā)現(xiàn)在英國”，而且還要“制造在英國”。2012年，英國政府追加2150萬英鎊資助石墨烯商業(yè)化探索研究。2014年9月，英國又宣布公私合作投資6000萬英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，將加速石墨烯應用研究和開發(fā)。這兩大科研投資項目凸顯了英國致力于石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的決心和力度。

3．韓國產(chǎn)學研合作促進石墨烯商業(yè)化。原韓國知識經(jīng)濟部曾計劃在2012－2018年向石墨烯領域提供2.5億美元資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應用研究。2013年，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，將整合韓國科研機構與企業(yè)力量推進石墨烯商業(yè)化發(fā)展，41家科研機構與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，政府將在未來6年投入4230萬美元，幫助企業(yè)實現(xiàn)石墨烯的應用產(chǎn)品與相關技術商業(yè)化，希望以此打造每年約153億美元的市場，形成25家全球領先企業(yè)。

4．美國通過國家自然科學基金等機構持續(xù)支持。2006－2011年間，美國國家自然科學基金會關于石墨烯的資助項目近200項，重點項目包括石墨烯基超級電容材料、石墨烯材料連續(xù)大規(guī)模納米制造等。美國國防部先進研究項目局還于2008年啟動了碳原子射頻應用項目，總投入2200萬美元，開發(fā)超高速、超低功耗石墨烯基射頻電路，即用石墨烯制造計算機芯片和晶體管。2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，使石墨烯特殊的電學性能彰顯出應用前景，預示著未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片。

5．中國政府日益重視石墨烯材料的研發(fā)應用。在石墨烯領域，中國與發(fā)達國家基本同處起跑階段。國家科技重大專項、國家973計劃圍繞“石墨烯宏量可控制備”、“石墨烯基電路制造設備、工藝和材料創(chuàng)新”等方向部署了一批重大項目，取得了一批創(chuàng)新成果，國際影響力逐步提升。國家自然科學基金委也投入不菲，2007－2012年石墨烯研究累計資助經(jīng)費達3.3億元。2012年，工業(yè)和信息化部把石墨烯列入《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)的興趣也日益升溫，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地紛紛設立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟于2013年成立，旨在推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化。

三、石墨烯專利迅速增長，我國需選擇重點進行突破

1．全球石墨烯專利申請日趨活躍。專利分析結果表明，全球石墨烯專利申請量自2009年開始迅猛增長，表明石墨烯領域的技術競爭更加激烈。目前，中國、美國、韓國的石墨烯專利申請量居世界前三，中國占全世界的三分之一之多。但是，中國在國外布局的石墨烯專利寥寥無幾。值得注意的是，歐洲作為石墨烯的誕生地，十分注重在石墨烯領域提前進行研發(fā)布局，卻沒有積極申請專利。即便如此，美國德州儀器公司的石墨烯專家路易吉·科倫坡仍認為，歐盟仍是當今全球的石墨烯研發(fā)中心。

2．中國可以以四項研發(fā)重點為突破口。參考諾沃肖羅夫的《石墨烯路線圖》，將石墨烯制備包括在內，石墨烯技術及應用可分為復合材料、燃料電池、導電薄膜、探測器和傳感器、晶體管、鋰離子電池、生物醫(yī)藥和石墨烯制備八大類。通過對全球石墨烯專利進行研究，從現(xiàn)有技術實力和需求迫切程度綜合考量，中國應重點關注以下四類研究。

（1）石墨烯制備。如果沒有實現(xiàn)石墨烯量產(chǎn)的技術，那么所有應用前景都將成為空談。目前我國在制備上專利申請數(shù)量最多的是電子科技大學和西安電子科技大學。

（2）石墨烯復合材料。我國在復合材料方面的專利占所有石墨烯專利的一半以上。全球石墨烯復合材料專利方面較占優(yōu)勢的專利權人都來自中國，包括浙江大學、清華大學、海洋王照明科技股份有限公司、上海交通大學和鴻海集團，這說明中國在石墨烯復合材料領域具有競爭優(yōu)勢，又因為復合材料的研發(fā)有助于傳感器、超級電容器等石墨烯其他應用的實現(xiàn)。

（3）導電薄膜。石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。在用于顯示器和觸摸屏的導電薄膜領域里，除去韓國三星集團和成均館大學，專利數(shù)量最多的是電子科技大學。同時，我國常州二維碳素科技有限公司于2013年已正式投產(chǎn)國內首條年產(chǎn)3萬平方米的石墨烯薄膜生產(chǎn)線。

（4）鋰離子電池。在這一領域，中國的海洋王照明科技股份有限公司具有明顯的競爭優(yōu)勢。鋰離子電池是現(xiàn)階段電動汽車車用電池的一個大方向，受到世界各大廠商競相追捧。同時，中國近年來大氣污染嚴重，污染治理刻不容緩。而治污措施之一就是使用電動汽車替代傳統(tǒng)燃料車。因此，也要優(yōu)先發(fā)展石墨烯在鋰離子電池等能量存儲領域的應用。

3．中國科研成果商業(yè)化頑疾亟需破除。雖然從專利申請總量來看，中國優(yōu)勢明顯，但是通過對專利數(shù)據(jù)進行深度挖掘發(fā)現(xiàn)，中國面臨的科研成果轉化率低、企業(yè)參與度低等頑疾在石墨烯領域依然存在。比如，中國大學和企業(yè)的專利申請比例是75.7%和19.4%，而韓國的這一比例卻是33.2%和52.7%。就大學和企業(yè)的合作比例來講，中國的這一指標值為0.8%，而韓國高達12%。在中國石墨烯申請量排名前十的機構中，大學占到了八席，并且除了清華大學與鴻海集團進行合作之外，其他大學基本上都是單獨申請專利。因此，我國應大力促進產(chǎn)學研合作，盡快出臺政策以促進石墨烯研發(fā)及商業(yè)化進程。

（作者：鄭佳，中國科學技術信息研究所戰(zhàn)略研究中心副研究員。）