編譯 蔡立英

石墨烯層沉積在硅晶片上，用于比利時微電子研究中心（IMEC）開發(fā)的微電子和計算應(yīng)用

2013年，歐盟啟動了一項為期10年、斥資10億歐元的計劃，稱為石墨烯旗艦計劃（Graphene Flagship）。這是歐盟有史以來規(guī)模最大的三個有針對性的技術(shù)研發(fā)計劃之一，旨在為石墨烯二維材料創(chuàng)造應(yīng)用和市場，并使歐洲占據(jù)石墨烯技術(shù)的最前沿。歐盟于2013年啟動了另一個專注于人腦的旗艦計劃，于2018年啟動了涵蓋量子技術(shù)的第三個旗艦計劃，這兩個計劃也都是為期10年、斥資10億歐元。

石墨烯旗艦計劃的影響以及它是否值得如此巨大的公共投入和努力，要到未來數(shù)年后才會見分曉。

“過去7年多來，石墨烯旗艦計劃成功將石墨烯從實驗室推向社會，創(chuàng)造了一個富有成效的石墨烯和層狀材料應(yīng)用開發(fā)的歐洲工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。”旗艦計劃2020年度報告總結(jié)道，“今天，我們的石墨烯工業(yè)家族包括100多家公司，與石墨烯旗艦計劃的學(xué)術(shù)合作伙伴在汽車、航空工業(yè)、電子、能源、復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域開展廣泛的合作?！?/p>

石墨烯旗艦計劃還剩下兩年半的時間，該計劃聲稱已經(jīng)產(chǎn)生了大約90種以某種方式結(jié)合石墨烯的產(chǎn)品，其應(yīng)用迥然不同于傳統(tǒng)器件，比如霍爾效應(yīng)傳感器的靈敏度是硅基傳感器的10倍，再如具有高音和低音增強功能的耳機。其他稱心的產(chǎn)品包括改進(jìn)牽引力的自行車輪胎、具有卓越柔韌性和耐用性的網(wǎng)球拍、具有高沖擊分散的摩托車頭盔以及高性能空調(diào)。用于半導(dǎo)體的石墨烯化學(xué)氣相沉積（CVD）系統(tǒng)就源自石墨烯旗艦計劃的研發(fā)。

瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)的亞里?基納雷特（Jari Kinaret）指出，在學(xué)術(shù)研究的產(chǎn)出方面，如果以每花費1歐元發(fā)表的專利和論文數(shù)量來衡量，“我們做得非常好”。這位凝聚態(tài)物理學(xué)家從一開始就領(lǐng)導(dǎo)了石墨烯旗艦計劃。但很少有類似規(guī)模的特定技術(shù)合作，因此對旗艦計劃的績效評估在很大程度上是比較主觀的?！岸嗄陙恚乙恢痹谔嶙h，如果有人能提出一個可衡量的、有意義的關(guān)鍵績效指標(biāo)，我會請他們吃一頓大餐。”基納雷特說。

旗艦計劃創(chuàng)新主管卡里?耶爾特（Kari Hjelt）表示，一旦該計劃完成，將對其經(jīng)濟影響進(jìn)行同行評審評估。但他提醒道，打分式的評估可能是片面的，因為從研究到商業(yè)化的時間通常要15年或更長時間。到目前為止，顯而易見的是，旗艦計劃鼓勵歐洲產(chǎn)業(yè)界冒更大風(fēng)險從事新產(chǎn)品的商業(yè)化。

不像在美國，產(chǎn)業(yè)界通常會為涉及政府機構(gòu)的合作研究投入部分自有資金，而石墨烯旗艦計劃則為其商業(yè)合作伙伴報銷他們的直接研發(fā)費用。不過，基納雷特指出，負(fù)責(zé)監(jiān)管旗艦計劃的歐盟委員會僅承擔(dān)了產(chǎn)業(yè)合作伙伴產(chǎn)生的一部分間接費用或管理費。

旗艦計劃現(xiàn)有的大約170個合作伙伴中，來自大學(xué)和產(chǎn)業(yè)的合作伙伴大致平分秋色。“一開始，學(xué)術(shù)界的會員約占75%。產(chǎn)業(yè)界的合作伙伴可能更多的是旁觀者而不是參與者。”基納雷特指出，但旗艦計劃一開始為自己繪制的路線圖是預(yù)期隨著計劃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界會有更大的參與度。

從現(xiàn)在到2023年，旗艦計劃還剩下1.5億歐元經(jīng)費可以支出，其中約45%將用于資助應(yīng)用研究，15%將投入到基礎(chǔ)研究。研究在四個廣泛的主題領(lǐng)域進(jìn)行：賦能科學(xué)（enabling science）和材料，健康、醫(yī)學(xué)和傳感器，電子和光子元件集成，能源、復(fù)合材料和生產(chǎn)。

旨在將特定石墨烯產(chǎn)品商業(yè)化的產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的多機構(gòu)合作項目——先鋒項目（Spearhead Projects）獲得另外30%的旗艦計劃預(yù)算。其余預(yù)算用于行政支持服務(wù)，包括標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)、產(chǎn)品性能測試和管理。

技術(shù)推動

目前的11個先鋒項目于2020年啟動，將于2023年9月結(jié)束?；{雷特說，按照設(shè)計，這些項目只能進(jìn)展到原型階段，需要歐盟委員會的特別許可才能更進(jìn)一步，而產(chǎn)品的完全商業(yè)化則發(fā)生在旗艦計劃之外。

圖示石墨烯粉末是由石墨烯旗艦計劃衍生的意大利公司BeDimensional為制造業(yè)和能源行業(yè)生產(chǎn)的

意大利Medica SpA公司過濾器和醫(yī)療應(yīng)用實驗室主任萊蒂齊亞?博基（Letizia Bocchi）領(lǐng)導(dǎo)了格拉西爾（Graphil）先鋒項目，該項目正在研發(fā)用于飲用水水龍頭的過濾器，由嵌入氧化石墨烯的聚合物紡成的中空纖維制成。石墨烯能吸收有機污染物，如抗生素和全氟化合物，若非如此，這些污染物會逃脫纖維的機械過濾。其他優(yōu)點還包括其工藝不會像反滲透那樣產(chǎn)生廢水。

另外兩家公司，法國的Polymem公司和英國的行業(yè)巨頭LifeSaver公司，以及意大利國家研究所、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)和英國曼徹斯特大學(xué)也是格拉西爾項目的合作伙伴。博基指出，單個公司無法負(fù)擔(dān)所需的研發(fā)費用，政府的支持必不可少?！拔覀冋诮⒁粋€專門生產(chǎn)纖維的工廠，這是一項巨大的投資?！彼a充說，這個旗艦計劃在整個歐盟的知名度很高，因此吸引了許多公司前來聯(lián)系并表達(dá)了興趣。

斷路器先鋒項目正在利用石墨烯的自潤滑特性開發(fā)改進(jìn)斷路器，以保護(hù)風(fēng)電場、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心等電力供應(yīng)商和消費者。油是確保斷路器機械功能的現(xiàn)有標(biāo)配，已沿用百年之久，斷路器中的油隨著時間的推移會分解，必須定期更換。瑞典ABB公司首席科學(xué)家安娜?安德森（Anna Andersson）領(lǐng)導(dǎo)該先鋒項目。她說，研究人員正在評估石墨烯涂層通過電鍍或燒結(jié)在金屬基材上的應(yīng)用。參與該先鋒項目的其他產(chǎn)業(yè)界成員還有瑞典的材料生產(chǎn)商Graphmatech公司和意大利的Nanesa公司。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)、英國曼徹斯特大學(xué)、希臘Hellas研究與技術(shù)基金會以及羅馬托爾維加塔大學(xué)是該項目的學(xué)術(shù)合作伙伴。

另一個自動視覺（Autovision）先鋒項目旨在為自動駕駛汽車生產(chǎn)傳感器，以在黑暗或有霧的條件下檢測物體和道路曲率。領(lǐng)導(dǎo)該項目的Qurv 技術(shù)公司是從西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）衍生出來的。Qurv公司的石墨烯-量子點圖像傳感器技術(shù)采用與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS） 制造工藝兼容的廣譜計算機視覺技術(shù)。瑞典美國合資公司、世界上最大的汽車安全設(shè)備供應(yīng)商Autoliv的衍生公司Veoneer，比利時非營利組織IMEC以及德國技術(shù)公司Aixtron是自動視覺項目的合作伙伴。如果成功，新傳感器將為砷化鎵和砷化銦技術(shù)（該技術(shù)需要稀有金屬和有毒砷）提供替代方案。

Aixtron公司用于化合物半導(dǎo)體的石墨烯化學(xué)氣相沉積制備，相關(guān)技術(shù)由德國公司通過石墨烯旗艦計劃開發(fā)

由空客公司領(lǐng)導(dǎo)的一個先鋒項目旨在為飛機開發(fā)一種基于石墨烯的熱電防冰系統(tǒng)。菲亞特克萊斯勒汽車公司（現(xiàn)名Stellantis）正在領(lǐng)導(dǎo)一個生產(chǎn)無金屬石墨烯汽車儀表板的先鋒項目，這種儀表板可以降低制造成本并降低燃料消耗。由Varta Microinnovation公司領(lǐng)導(dǎo)的另一個先鋒項目計劃推進(jìn)用于鋰離子汽車電池的石墨烯-硅陽極的研制，其目標(biāo)是將旗艦計劃早期階段開發(fā)的復(fù)合材料的壽命提高到1 000次充放電循環(huán)。

石墨烯旗艦計劃已經(jīng)衍生出十幾家公司。InBrain Neuroelectronics公司由加泰羅尼亞政府資助的兩家旗艦計劃合作研究機構(gòu)創(chuàng)辦，正在開發(fā)基于石墨烯的植入物，用于治療帕金森病、癲癇和其他腦部疾病。2021年3月，該公司宣布已從風(fēng)險投資公司和西班牙政府那里籌集了總計1 500萬歐元的資金。BeDimensional是一家意大利的衍生公司，為制造業(yè)和能源業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)石墨烯。

鞋子和混凝土

石墨烯的許多低端技術(shù)應(yīng)用，如復(fù)合材料，在沒有旗艦計劃支持的情況下已經(jīng)向前發(fā)展。將石墨烯添加到輪胎橡膠里，可提高輪胎的抓地力和耐用性。英國Inov-8公司制造的鞋子幫助越野跑者在光滑巖石上跑步，同時還提供了良好的緩沖。研究人員發(fā)現(xiàn)，摻入少量（通常為0.1%）石墨烯薄片的混凝土可以將材料的結(jié)構(gòu)強度提高30%，從而減少對結(jié)構(gòu)鋼筋的需求。添加石墨烯還降低了工程所需的混凝土量，并減少了水泥和混凝土的大量碳足跡。

曼徹斯特大學(xué)石墨烯工程創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人詹姆斯?貝克（James Baker）說，曼徹斯特大學(xué)在5月份與一家建筑公司合作，用新的“混凝土”澆筑了當(dāng)?shù)匾患殷w育館的地板?！皬氖略撔袠I(yè)40年的建筑商說，這是他們見過的最好的混凝土地板?！必惪苏f。

石墨烯旗艦計劃中各種石墨烯應(yīng)用和產(chǎn)品商業(yè)化的預(yù)期時間表

盡管英國脫歐，英國的成員仍將留在旗艦計劃中直至計劃結(jié)束。安德烈?海姆（Andre Geim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（Kostantin Novoselov）在2004年發(fā)現(xiàn)了如何制備石墨烯，他們所在的曼徹斯特大學(xué)參與了好幾個先鋒項目。這所大學(xué)還擁有英國國家石墨烯研究所，類似的國家級石墨烯研究機構(gòu)遍布?xì)W盟各國。

貝克指出，石墨烯旗艦計劃不是曼徹斯特大學(xué)的單打獨斗，而是匯集了更大范圍的大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界參與者。“10億歐元的經(jīng)費，旗艦計劃已經(jīng)達(dá)到了臨界規(guī)模，其他活動，如毒理學(xué)、健康和安全以及標(biāo)準(zhǔn)，最好是集體來做。依靠集體的力量是加速石墨烯整個供應(yīng)鏈的關(guān)鍵部分，如果要商業(yè)化，這一點至關(guān)重要?！?/p>

石墨烯委員會是總部位于美國北卡羅來納州擁有國際會員資格的行業(yè)協(xié)會，其執(zhí)行主任特倫斯?巴爾坎（Terrance Barkan）感謝石墨烯旗艦計劃提高了歐洲對材料的認(rèn)識，并為學(xué)術(shù)研發(fā)提供了持續(xù)支持?！笆┢炫炗媱澋膬?yōu)勢是為歐盟和歐洲提供了圍繞這些先進(jìn)材料發(fā)展產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)一戰(zhàn)略。而在美國，每個人都是各做各的研究?！彼u論道，“但是，盡管旗艦計劃在支持創(chuàng)新方面表現(xiàn)良好，但商業(yè)轉(zhuǎn)換并沒有人們預(yù)期的那么成功。依賴旗艦計劃向行業(yè)提供補貼可能會導(dǎo)致產(chǎn)品賣不出去?！?/p>

一個轉(zhuǎn)折點

不管如何評判其業(yè)績，石墨烯旗艦計劃預(yù)計不會超過10年的立項期限?！捌炫炗媱澖Y(jié)束后，我們的許多活動將在地平線歐洲（Horizon Europe）計劃的支持下繼續(xù)進(jìn)行?！被{雷特說，他指的是歐盟斥資955億歐元的廣泛研發(fā)計劃，該計劃將持續(xù)到2027年。“有些將達(dá)到不再需要歐洲納稅人支持的成熟水平?！?/p>

巴爾坎說，與其復(fù)制歐盟的旗艦計劃，美國應(yīng)該通過放寬監(jiān)管要求來推動需求，目前在美國，每項石墨烯新應(yīng)用都需要獲得環(huán)境保護(hù)局的批準(zhǔn)。美國還可以通過制定道路建筑材料的低碳排放要求來促進(jìn)石墨烯-混凝土等產(chǎn)品的增長。

對石墨烯需求的預(yù)測差異很大，但毫無疑問，石墨烯市場將迅速擴大。盡管如此，石墨烯的應(yīng)用仍因缺乏面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的質(zhì)量指標(biāo)而受到阻礙。旗艦計劃的一部分工作致力于制定此類標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)被采用需要多個國家和國際標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的批準(zhǔn)，這一過程可能需要數(shù)年時間?！皢栴}是，產(chǎn)業(yè)界等不起這么多年?！卑蜖柨舱f，他所在的石墨烯委員會還致力于加快標(biāo)準(zhǔn)的采用。

“石墨烯研究正接近一個轉(zhuǎn)折點?！必惪苏J(rèn)為，他預(yù)計“快車道和慢車道”應(yīng)用將出現(xiàn)增長?！翱燔嚨馈鳖悇e包括橡膠、塑料和碳纖維等，這些用途不需要改變制造工藝，也不需要政府批準(zhǔn)。相比之下，由于需要監(jiān)管部門的批準(zhǔn)和認(rèn)證流程，凈水膜和生物醫(yī)學(xué)等“慢車道”應(yīng)用的進(jìn)展則會比較緩慢。

資料來源PhysicsToday