編譯 蔡立英

石墨烯層沉積在硅晶片上，用于比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）開(kāi)發(fā)的微電子和計(jì)算應(yīng)用

2013年，歐盟啟動(dòng)了一項(xiàng)為期10年、斥資10億歐元的計(jì)劃，稱(chēng)為石墨烯旗艦計(jì)劃（Graphene Flagship）。這是歐盟有史以來(lái)規(guī)模最大的三個(gè)有針對(duì)性的技術(shù)研發(fā)計(jì)劃之一，旨在為石墨烯二維材料創(chuàng)造應(yīng)用和市場(chǎng)，并使歐洲占據(jù)石墨烯技術(shù)的最前沿。歐盟于2013年啟動(dòng)了另一個(gè)專(zhuān)注于人腦的旗艦計(jì)劃，于2018年啟動(dòng)了涵蓋量子技術(shù)的第三個(gè)旗艦計(jì)劃，這兩個(gè)計(jì)劃也都是為期10年、斥資10億歐元。

石墨烯旗艦計(jì)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(lái)數(shù)年后才會(huì)見(jiàn)分曉。

“過(guò)去7年多來(lái)，石墨烯旗艦計(jì)劃成功將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室推向社會(huì)，創(chuàng)造了一個(gè)富有成效的石墨烯和層狀材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)的歐洲工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。”旗艦計(jì)劃2020年度報(bào)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(jì)劃的學(xué)術(shù)合作伙伴在汽車(chē)、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(kāi)展廣泛的合作。”

石墨烯旗艦計(jì)劃還剩下兩年半的時(shí)間，該計(jì)劃聲稱(chēng)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(qiáng)功能的耳機(jī)。其他稱(chēng)心的產(chǎn)品包括改進(jìn)牽引力的自行車(chē)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(chē)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(jì)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(fèi)1歐元發(fā)表的專(zhuān)利和論文數(shù)量來(lái)衡量，“我們做得非常好”。這位凝聚態(tài)物理學(xué)家從一開(kāi)始就領(lǐng)導(dǎo)了石墨烯旗艦計(jì)劃。但很少有類(lèi)似規(guī)模的特定技術(shù)合作，因此對(duì)旗艦計(jì)劃的績(jī)效評(píng)估在很大程度上是比較主觀的?！岸嗄陙?lái)，我一直在提議，如果有人能提出一個(gè)可衡量的、有意義的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，我會(huì)請(qǐng)他們吃一頓大餐。”基納雷特說(shuō)。

旗艦計(jì)劃創(chuàng)新主管卡里?耶爾特（Kari Hjelt）表示，一旦該計(jì)劃完成，將對(duì)其經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行同行評(píng)審評(píng)估。但他提醒道，打分式的評(píng)估可能是片面的，因?yàn)閺难芯康缴虡I(yè)化的時(shí)間通常要15年或更長(zhǎng)時(shí)間。到目前為止，顯而易見(jiàn)的是，旗艦計(jì)劃鼓勵(lì)歐洲產(chǎn)業(yè)界冒更大風(fēng)險(xiǎn)從事新產(chǎn)品的商業(yè)化。

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

旗艦計(jì)劃現(xiàn)有的大約170個(gè)合作伙伴中，來(lái)自大學(xué)和產(chǎn)業(yè)的合作伙伴大致平分秋色。“一開(kāi)始，學(xué)術(shù)界的會(huì)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(jì)劃一開(kāi)始為自己繪制的路線圖是預(yù)期隨著計(jì)劃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界會(huì)有更大的參與度。

從現(xiàn)在到2023年，旗艦計(jì)劃還剩下1.5億歐元經(jīng)費(fèi)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(gè)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(jī)構(gòu)合作項(xiàng)目——先鋒項(xiàng)目（Spearhead Projects）獲得另外30%的旗艦計(jì)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(kāi)發(fā)、產(chǎn)品性能測(cè)試和管理。

技術(shù)推動(dòng)

目前的11個(gè)先鋒項(xiàng)目于2020年啟動(dòng)，將于2023年9月結(jié)束?；{雷特說(shuō)，按照設(shè)計(jì)，這些項(xiàng)目只能進(jìn)展到原型階段，需要?dú)W盟委員會(huì)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(jì)劃之外。

圖示石墨烯粉末是由石墨烯旗艦計(jì)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(guò)濾器和醫(yī)療應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室主任萊蒂齊亞?博基（Letizia Bocchi）領(lǐng)導(dǎo)了格拉西爾（Graphil）先鋒項(xiàng)目，該項(xiàng)目正在研發(fā)用于飲用水水龍頭的過(guò)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(jī)污染物，如抗生素和全氟化合物，若非如此，這些污染物會(huì)逃脫纖維的機(jī)械過(guò)濾。其他優(yōu)點(diǎn)還包括其工藝不會(huì)像反滲透那樣產(chǎn)生廢水。

另外兩家公司，法國(guó)的Polymem公司和英國(guó)的行業(yè)巨頭LifeSaver公司，以及意大利國(guó)家研究所、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)也是格拉西爾項(xiàng)目的合作伙伴。博基指出，單個(gè)公司無(wú)法負(fù)擔(dān)所需的研發(fā)費(fèi)用，政府的支持必不可少?！拔覀冋诮⒁粋€(gè)專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)纖維的工廠，這是一項(xiàng)巨大的投資。”她補(bǔ)充說(shuō)，這個(gè)旗艦計(jì)劃在整個(gè)歐盟的知名度很高，因此吸引了許多公司前來(lái)聯(lián)系并表達(dá)了興趣。

斷路器先鋒項(xiàng)目正在利用石墨烯的自潤(rùn)滑特性開(kāi)發(fā)改進(jìn)斷路器，以保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心等電力供應(yīng)商和消費(fèi)者。油是確保斷路器機(jī)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(shí)間的推移會(huì)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(xiàng)目。她說(shuō)，研究人員正在評(píng)估石墨烯涂層通過(guò)電鍍或燒結(jié)在金屬基材上的應(yīng)用。參與該先鋒項(xiàng)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(guó)曼徹斯特大學(xué)、希臘Hellas研究與技術(shù)基金會(huì)以及羅馬托爾維加塔大學(xué)是該項(xiàng)目的學(xué)術(shù)合作伙伴。

另一個(gè)自動(dòng)視覺(jué)（Autovision）先鋒項(xiàng)目旨在為自動(dòng)駕駛汽車(chē)生產(chǎn)傳感器，以在黑暗或有霧的條件下檢測(cè)物體和道路曲率。領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)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(lái)的。Qurv公司的石墨烯-量子點(diǎn)圖像傳感器技術(shù)采用與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS） 制造工藝兼容的廣譜計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)。瑞典美國(guó)合資公司、世界上最大的汽車(chē)安全設(shè)備供應(yīng)商Autoliv的衍生公司Veoneer，比利時(shí)非營(yíng)利組織IMEC以及德國(guó)技術(shù)公司Aixtron是自動(dòng)視覺(jué)項(xiàng)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(guó)公司通過(guò)石墨烯旗艦計(jì)劃開(kāi)發(fā)

由空客公司領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)先鋒項(xiàng)目旨在為飛機(jī)開(kāi)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(chē)公司（現(xiàn)名Stellantis）正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)生產(chǎn)無(wú)金屬石墨烯汽車(chē)儀表板的先鋒項(xiàng)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(gè)先鋒項(xiàng)目計(jì)劃推進(jìn)用于鋰離子汽車(chē)電池的石墨烯-硅陽(yáng)極的研制，其目標(biāo)是將旗艦計(jì)劃早期階段開(kāi)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(jì)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(jì)劃合作研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)辦，正在開(kāi)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(xiǎn)投資公司和西班牙政府那里籌集了總計(jì)1 500萬(wàn)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(méi)有旗艦計(jì)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(guó)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(shí)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(qiáng)度提高30%，從而減少對(duì)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(shuō)，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(shuō)，這是他們見(jiàn)過(guò)的最好的混凝土地板。”貝克說(shuō)。

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

盡管英國(guó)脫歐，英國(guó)的成員仍將留在旗艦計(jì)劃中直至計(jì)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(gè)先鋒項(xiàng)目。這所大學(xué)還擁有英國(guó)國(guó)家石墨烯研究所，類(lèi)似的國(guó)家級(jí)石墨烯研究機(jī)構(gòu)遍布?xì)W盟各國(guó)。

貝克指出，石墨烯旗艦計(jì)劃不是曼徹斯特大學(xué)的單打獨(dú)斗，而是匯集了更大范圍的大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界參與者?！?0億歐元的經(jīng)費(fèi)，旗艦計(jì)劃已經(jīng)達(dá)到了臨界規(guī)模，其他活動(dòng)，如毒理學(xué)、健康和安全以及標(biāo)準(zhǔn)，最好是集體來(lái)做。依靠集體的力量是加速石墨烯整個(gè)供應(yīng)鏈的關(guān)鍵部分，如果要商業(yè)化，這一點(diǎn)至關(guān)重要?！?/p>

石墨烯委員會(huì)是總部位于美國(guó)北卡羅來(lái)納州擁有國(guó)際會(huì)員資格的行業(yè)協(xié)會(huì)，其執(zhí)行主任特倫斯?巴爾坎（Terrance Barkan）感謝石墨烯旗艦計(jì)劃提高了歐洲對(duì)材料的認(rèn)識(shí)，并為學(xué)術(shù)研發(fā)提供了持續(xù)支持?！笆┢炫炗?jì)劃的優(yōu)勢(shì)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(guó)，每個(gè)人都是各做各的研究?！彼u(píng)論道，“但是，盡管旗艦計(jì)劃在支持創(chuàng)新方面表現(xiàn)良好，但商業(yè)轉(zhuǎn)換并沒(méi)有人們預(yù)期的那么成功。依賴(lài)旗艦計(jì)劃向行業(yè)提供補(bǔ)貼可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品賣(mài)不出去?！?/p>

一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

不管如何評(píng)判其業(yè)績(jī)，石墨烯旗艦計(jì)劃預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)10年的立項(xiàng)期限?！捌炫炗?jì)劃結(jié)束后，我們的許多活動(dòng)將在地平線歐洲（Horizon Europe）計(jì)劃的支持下繼續(xù)進(jìn)行?！被{雷特說(shuō)，他指的是歐盟斥資955億歐元的廣泛研發(fā)計(jì)劃，該計(jì)劃將持續(xù)到2027年?！坝行⑦_(dá)到不再需要?dú)W洲納稅人支持的成熟水平?！?/p>

巴爾坎說(shuō)，與其復(fù)制歐盟的旗艦計(jì)劃，美國(guó)應(yīng)該通過(guò)放寬監(jiān)管要求來(lái)推動(dòng)需求，目前在美國(guó)，每項(xiàng)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(guó)還可以通過(guò)制定道路建筑材料的低碳排放要求來(lái)促進(jìn)石墨烯-混凝土等產(chǎn)品的增長(zhǎng)。

對(duì)石墨烯需求的預(yù)測(cè)差異很大，但毫無(wú)疑問(wèn)，石墨烯市場(chǎng)將迅速擴(kuò)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(jì)劃的一部分工作致力于制定此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)被采用需要多個(gè)國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，這一過(guò)程可能需要數(shù)年時(shí)間。“問(wèn)題是，產(chǎn)業(yè)界等不起這么多年?！卑蜖柨舱f(shuō)，他所在的石墨烯委員會(huì)還致力于加快標(biāo)準(zhǔn)的采用。

“石墨烯研究正接近一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！必惪苏J(rèn)為，他預(yù)計(jì)“快車(chē)道和慢車(chē)道”應(yīng)用將出現(xiàn)增長(zhǎng)?！翱燔?chē)道”類(lèi)別包括橡膠、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(mén)的批準(zhǔn)和認(rèn)證流程，凈水膜和生物醫(yī)學(xué)等“慢車(chē)道”應(yīng)用的進(jìn)展則會(huì)比較緩慢。

資料來(lái)源PhysicsToday