日本全力攻關(guān)石墨烯 研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化雙輪驅(qū)動(dòng)

   近年來(lái)，石墨烯成為全球科技界最青睞的新材料之一，包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)都在大力投入研發(fā)。實(shí)際上，石墨烯并不神秘，我們每次用鉛筆畫(huà)一道線，都會(huì)產(chǎn)生石墨烯的碎片。簡(jiǎn)單地說(shuō)，石墨烯是由六角形的網(wǎng)眼狀結(jié)合的碳原子構(gòu)成，厚度只有1個(gè)碳原子大小，是構(gòu)造其他碳質(zhì)材料的基本單元。作為科技大國(guó)，日本正全力攻關(guān)石墨烯，其進(jìn)展、做法值得我們關(guān)注與借鑒。　　
   石墨烯的優(yōu)異特性　　　

   石墨是制造鉛筆芯的材料，它是一種只有碳構(gòu)成的物質(zhì)，由平坦排列的數(shù)層碳原子層堆積在一起構(gòu)成。數(shù)世紀(jì)前，人們就知道石墨的層狀結(jié)構(gòu)，并嘗試將其分開(kāi)，不過(guò)一直未能成功。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫偶然發(fā)現(xiàn)，在很普通的石墨碎片上用透明膠帶粘貼，能夠成功剝?nèi)〕鲆粋€(gè)原子厚度的石墨烯。石墨烯太薄了，厚度僅為約0.3納米，約300萬(wàn)張石墨烯重疊在一起，才能達(dá)到1毫米的厚度，所以可以看做二維材料?！　　　?BR>

   這種極薄的碳膜具有很大的潛力，其硬度和鉆石持平，電導(dǎo)性是硅的100倍，拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的200倍，在常溫下化學(xué)性質(zhì)也非常穩(wěn)定，電子移動(dòng)速度超過(guò)現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的任何物質(zhì)，即使受熱和通電，也能維持穩(wěn)定、規(guī)則的六角形形狀，具有令人驚嘆的光學(xué)和熱學(xué)特性，而且它幾乎是透明的?！　　?BR>

　由于這種優(yōu)異的特性，石墨烯的應(yīng)用前景非常廣闊。如果用石墨烯來(lái)制造智能電話和平板電腦，就不用再擔(dān)心屏幕摔壞的情況，由此制成的屏幕能折疊甚至被揉成團(tuán)。除此之外，目前石墨烯最有潛力的應(yīng)用是作為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍?！　　　?BR>

  正是由于石墨烯的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了物理學(xué)和電子工程學(xué)上的劃時(shí)代革新，其發(fā)明者安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫才在2010年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。剛剛發(fā)現(xiàn)新材料幾年時(shí)間就能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，足以說(shuō)明這一發(fā)現(xiàn)有多么重要?！　　　?BR>

  地球上的天然石墨蘊(yùn)藏量達(dá)到1億噸以上，并且不斷有新的礦山被發(fā)現(xiàn)，是一種非常豐富的資源。由于天然石墨本身就是高純度的石墨烯的層積體，所以只要能夠高效剝離天然石墨，就可以大量生產(chǎn)石墨烯。隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)，全球的研究所都開(kāi)始研究石墨烯材料，日本在研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面的雙輪驅(qū)動(dòng)尤其明顯?！　　　?BR>

  研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化雙輪驅(qū)動(dòng)　　　

 在日本，大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在大力開(kāi)發(fā)石墨烯，并且相繼取得了一些突破性成果?！　　　?BR>

  2013年7月，日本名古屋大學(xué)教授伊丹健一郎率領(lǐng)的研究小組宣布，他們開(kāi)發(fā)出一種像馬鞍一樣的碳納米分子，并將其命名為“彎曲納米石墨烯”。由于碳分子之間有大量微小的空間，易溶到乙醇等有機(jī)溶劑中，因此可以用到電子基板上，用于制造太陽(yáng)能電池和電子元件等。如果向溶有這種新型碳納米分子的溶液照射紫外線，這種分子能發(fā)出綠色的熒光，所以它還有望用于生物成像為代表的醫(yī)療領(lǐng)域。　　　　

  2014年12月，日本東北大學(xué)助教伊藤良一率領(lǐng)的研究小組宣布開(kāi)發(fā)出了一種新型電極，有望利用石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來(lái)制造燃料電池車(chē)所需的氫燃料。長(zhǎng)期以來(lái)，燃料電池車(chē)的電池成本居高不下，原因之一就是電池中需要使用“白金”——鉑作為催化劑?？茖W(xué)界一直在研發(fā)用其他廉價(jià)材料作為替代催化劑。研究人員指出，如果在石墨烯催化劑中再加入鎳，其制氫能力就可以超越鉑，預(yù)計(jì)將此技術(shù)市場(chǎng)化后，可以使燃料電池成本大大下降?！　　?BR>

　日本企業(yè)也積極參與石墨烯開(kāi)發(fā)。石墨烯平臺(tái)公司就是一家代表性的企業(yè)。該公司自2001年開(kāi)始參與石墨烯的研究開(kāi)發(fā)，于2012年9月在東京工業(yè)大學(xué)橫濱創(chuàng)業(yè)園內(nèi)開(kāi)設(shè)了石墨烯研發(fā)中心，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)合作，2012年6月又與英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員在劍橋設(shè)立了子公司“劍橋石墨烯平臺(tái)有限公司”。隨后，英國(guó)劍橋大學(xué)也向該公司注入了資金。2015年4月，石墨烯平臺(tái)公司開(kāi)發(fā)的大量生產(chǎn)石墨烯的技術(shù)獲得專利。迄今為止，該公司已經(jīng)在20個(gè)國(guó)家獲得了5項(xiàng)基本專利。　　　　

  降低成本是克服石墨烯商業(yè)化瓶頸的關(guān)鍵。在這一方面，日本大阪瓦斯公司開(kāi)發(fā)出了將成本減半的技術(shù)，制造方法是將來(lái)自煤炭的芴(一種提取自煤焦油的有機(jī)化合物)與水混合，作為添加劑，然后與石墨高速撞擊，從而制造出石墨烯。ADEAK公司則獲得了東京大學(xué)教授相田卓三開(kāi)發(fā)的石墨烯新生產(chǎn)技術(shù)的專利權(quán)，這種制造方法是向離子液體中的石墨照射微波制造石墨烯，在30分鐘內(nèi)，就可以高效獲得高濃度和高品質(zhì)的石墨烯。目前已經(jīng)開(kāi)始銷售石墨烯分散液、粉末等樣品，2020年準(zhǔn)備進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)?！　　　?BR>

  開(kāi)發(fā)前景仍存不確定因素　　　　

   日本石墨烯技術(shù)的發(fā)展，與政府開(kāi)展產(chǎn)官學(xué)合作開(kāi)發(fā)不無(wú)關(guān)系。日本文部科學(xué)省制定了多個(gè)發(fā)展納米技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo)，并由下屬機(jī)構(gòu)制定了研究開(kāi)發(fā)方法，具體的課題就是碳納米管、石墨烯等碳納米電子技術(shù)。2009年后，作為國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所一直致力于石墨烯大量合成技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研究合成方法、剝離方法和薄膜化以及應(yīng)用等。但是，石墨烯的實(shí)用化仍面臨著堆積如山的難題，單靠一個(gè)組織恐怕難以克服。因此，產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所在2014年4月建立了“石墨烯共同體”，作為加速石墨烯相關(guān)材料開(kāi)發(fā)和實(shí)用化的業(yè)界合作場(chǎng)所，舉辦研討會(huì)和推進(jìn)會(huì)員間的合作。　　　　

  日本“全球信息”株式會(huì)社2015年4月公布的一份報(bào)告顯示，在2015年至2025年，在汽車(chē)、航天、能源、電子、復(fù)合材料領(lǐng)域，石墨烯都將得到應(yīng)用。不過(guò)，高成本、市場(chǎng)尚不成熟、知識(shí)不足以及大量生產(chǎn)比較困難，仍在遏制石墨烯市場(chǎng)的形成。其中的根本問(wèn)題在于大量廉價(jià)制造石墨烯的方法尚未完全解決?！　　?BR>

　另一個(gè)需要注意的問(wèn)題是這種材料過(guò)于萬(wàn)能，反而妨礙其在市場(chǎng)上尋找適當(dāng)?shù)牡匚弧Ｒ粋€(gè)明顯的例子就是尼龍，尼龍被開(kāi)發(fā)出之后，很短時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了商品化，這是由于很快找到了用于制造女性長(zhǎng)襪這樣一個(gè)適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。材料的應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)有限，迅速獲得經(jīng)濟(jì)成功的概率反而更高。上世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的碳納米管曾一度廣受關(guān)注，不過(guò)如今卻歸于沉寂，石墨烯要想避免這種命運(yùn)，還有很多課題需要攻關(guān)?！?/SPAN>