石墨烯產(chǎn)業(yè)化坎坷曲折：摸著石頭過河

　　走進(jìn)嘉興中易碳素7000平方米的工廠，整齊排列著幾十臺燒結(jié)高導(dǎo)熱石墨膜的高溫爐和低溫爐。這些爐子生產(chǎn)的是用于制作手機等電子產(chǎn)品散熱膜的原材料。

　　石墨烯是人類發(fā)明的第一種單原子的二維碳膜材料。只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。它的導(dǎo)電性強、可彎折、機械強度好，看起來頗有未來神奇材料的風(fēng)范。

　　2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)和他的同事在《自然》雜志上發(fā)表文章，討論石墨烯的未來。他認(rèn)為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個重大困難之前，這一場景還不會到來。

　　更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景，或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應(yīng)用場合。

　　導(dǎo)熱性：手機上的應(yīng)用

　　這究竟是一種怎樣的材料?

　　石墨烯在可見光下透明，但不透氣，這些特征使得它非常適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。如果再加上超級電容、信息存儲器件、高性能復(fù)合材料，到催化劑載體、藥物輸送等，那簡直就是可以改變世界的發(fā)明。

　　在生產(chǎn)車間里，15條人工合成石墨生產(chǎn)線月產(chǎn)能可達(dá)6萬平方米。這些燒結(jié)完畢的原材料進(jìn)行壓延、背膠、覆膜、模切成型加工后，最終被制成一塊塊手機蓋大小的薄膜，用來貼在手機屏幕、屏蔽罩、中框、后蓋、電池上，實現(xiàn)散熱功能。

　　在2011年創(chuàng)立這家致力于特種功能材料研發(fā)的企業(yè)之前，中易碳素創(chuàng)始人CEO李平在中國電信上海研究院工作。在高導(dǎo)熱石墨膜的應(yīng)用領(lǐng)域，中易碳素從大尺寸石墨膜、連續(xù)卷材、多層復(fù)合石墨膜等方面進(jìn)行研究創(chuàng)新。

　　針對最新的石墨烯概念，李平表示，中易碳素一直在持續(xù)跟蹤和投入研發(fā)，行業(yè)首創(chuàng)的石墨烯量產(chǎn)化產(chǎn)品石墨烯散熱膜即將作為高導(dǎo)熱石墨膜的升級換代產(chǎn)品正式推向市場，記者在現(xiàn)場看到，石墨烯散熱膜最薄厚度可以做到5微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了高導(dǎo)熱石墨膜25微米的常規(guī)厚度，同時，石墨烯散熱膜具有更加強大的導(dǎo)熱性能。目前，石墨烯散熱膜已經(jīng)實現(xiàn)了原材料制備、表面化學(xué)修飾、分散、成膜、后道模切加工等全生產(chǎn)流程的打通。

　　不過隨著智能手機行業(yè)的飽和，整個行業(yè)都面臨訂單的下滑。李平表示：“今年上半年情況特別糟糕，很多客戶訂單都削減了80%。但是下半年開始好轉(zhuǎn)，有望與去年持平。明年有了新產(chǎn)品就好多了。在這個行業(yè)，只有不斷保持創(chuàng)新，研發(fā)出新品，才能夠不讓自己被市場淘汰。”

　　生物相容：檢測試劑與植入骨骼

　　李平對記者表示，公司也在和中科院、同濟大學(xué)、華東理工大學(xué)等院校和研究機構(gòu)合作，希望開拓石墨烯未來更多的應(yīng)用領(lǐng)域。“生物醫(yī)療是我們非常關(guān)注的領(lǐng)域，尤其是石墨烯在生物傳感及檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，石墨烯具有非常強的熒光猝滅效應(yīng)，可以使傳統(tǒng)的生物檢測方法靈敏度提高2到3個數(shù)量級。目前最主要的挑戰(zhàn)是安全性評估，尤其是石墨烯這種納米材料輸入人體后，可能會與蛋白質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)，影響新陳代謝，或者導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，這些都還需要大量的工作。”

　　李平所說的產(chǎn)品，是用石墨烯的生物相容性來生產(chǎn)檢測試劑。他說：“化學(xué)修飾是關(guān)鍵。由于氧化石墨烯富含羥基、羧基、環(huán)氧各種活性含氧基團(tuán)，有很好的生物相容性，可以通過量子點表面特異性化學(xué)修飾，通過納米自組裝技術(shù)設(shè)計特別的DNA或核酸探針，針對某些蛋白質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)或者熒光能量共振，從而快速診斷。就像抗體和抗原、生物素和親和素、DNA的堿基配對，都是特異性很強的。”

　　這一想法，和此前萊斯大學(xué)(RiceUniversity)物理學(xué)家Ching-HwaKiang的想法相一致。Kiang和他的朋友JamesTour通過將碳納米管解壓的方式制成石墨烯納米帶(GNRs)。GNRs是一種長度超過寬度幾千倍的條狀材料。這種材料的形狀，造成了其類似于蛋白質(zhì)和DNA的性質(zhì)。這就意味著，可以通過這種材料觀察蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，GNRs像DNA和蛋白質(zhì)一樣，在溶液中可以自發(fā)形成皺紋和循環(huán)，也可以形成螺旋體、皺紋或環(huán)繞。

　　這種材料未來很可能會被官能化修飾，用來和DNA、蛋白質(zhì)，甚至是細(xì)胞結(jié)合使用。有了這樣的材料，未來生物分子檢測和分子醫(yī)學(xué)都將成為可能。同時也可能以用于DNA測序。這種材料可能會多方面地改變生物醫(yī)學(xué)的其他領(lǐng)域。

　　近期，萊斯大學(xué)的科學(xué)家又在嘗試焊接納米薄片以形成堅韌的多孔材料。研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，聚焦的離子束顯微鏡圖像顯示出一塊焊接在一起的3D石墨烯層。該材料符合骨植入標(biāo)準(zhǔn)所必需的生物相容性和材料性能。

　　萊斯大學(xué)材料實驗室的科學(xué)家PulickelAjayan和同事在美國得克薩斯、巴西和印度等地使用放電等離子體燒結(jié)焊接石墨烯氧化物的薄片，其機械性能與生物相容性能和鈦相媲美，成為一個標(biāo)準(zhǔn)的骨替代材料的多孔固體。

　　這項發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《先進(jìn)材料》論文里。研究人員相信他們的技術(shù)將能夠創(chuàng)造出高度復(fù)雜的石墨形狀，而且只需要幾分鐘，他們認(rèn)為這種工藝會比??特種金屬加工更容易創(chuàng)造出特殊材料。

　　“我們開始思考骨植入，因為石墨烯是最有趣的材料之一，它能創(chuàng)造出許多可能性，因為它具有一般的生物相容性。”萊斯大學(xué)博士后研究助理ChandraSekharTiwary對《第一財經(jīng)日報》記者表示。Tiwary也是論文的共同第一作者。另一名第一作者DibyenduChakravarty來自印度海得拉巴粉末冶金新材料研究中心。Tiwary說：“四件事情很重要：機械性能、密度、孔隙率和生物相容性。”

　　新型的3D打印材料

　　研究人員通過改變納米級的焊縫上的電壓來控制材料的密度。雖然實驗在室溫下進(jìn)行，研究人員還把燒結(jié)溫度提高到200至400攝氏度以制成各種密度的石墨烯的固體。Tiwary表示：“實驗證明在300℃局部溫度能夠得到最好的樣品。”

　　在美國明尼蘇達(dá)州高科技納米制造公司海思創(chuàng)(Hysitron)同事的幫助下，研究人員通過與一個掃描電子顯微鏡連接反復(fù)測試二至五層接合石墨烯的承載能力，并發(fā)現(xiàn)它們在70微牛(micronewtons)的壓力下仍然很穩(wěn)定。此外，他們還在得克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心研究人員的幫助下，成功地在該石墨烯材料上培養(yǎng)出細(xì)胞，顯示了其生物相容性。令人驚喜的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)過程具有去氧化功能，能夠使得氧化石墨烯薄片變成純雙層石墨，這使得它們比單層石墨或石墨烯氧化物具有更加穩(wěn)定的能力。

　　Ajayan表示，這個實驗證明了如何使用常規(guī)的技術(shù)來制成非常規(guī)的材料。但是一個重要的前提是，二維材料能夠量產(chǎn)制成密度和強度都合適的3D材料。“二維材料的好處是它能夠在很大的表面積上實現(xiàn)連接，你只要去克服一個小小的活化能，增加焊接強度。”Ajayan說，“納米積木之間的工程結(jié)構(gòu)和強大的接口是實現(xiàn)這些目標(biāo)的最大的挑戰(zhàn)，但在這種情況下，放電等離子燒結(jié)似乎是有效的加入石墨烯片并制作成3D石墨材料的方法。”

　　Tiwary還表示，放電等離子燒結(jié)在工業(yè)上一般與陶瓷一起被用來制造復(fù)雜的零件。“該技術(shù)采用高脈沖電流把焊片瞬間連接起來。你只需要高電壓，不需要高壓或者高溫。”他說，他們制作的材料近50%是多孔的，密度只有普通石墨的一半，只有金屬鈦的四分之一。但它有足夠的抗壓強度——40兆帕，這樣能符合骨植入?的要求——骨骼中的扭力可以使得它在水中也不會溶解。

　　此前有傳聞稱諾基亞未來新手機將會使用石墨烯感光元件，傳感器將由臺灣富士康生產(chǎn)。新手機將會是諾基亞和富士康聯(lián)手的第一款產(chǎn)品。對此，新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員表示：“石墨烯感光元件制成的攝像頭對光線的敏感程度比普通的CMOS要強1000倍，但同時價格也要高5倍以上。”不過該研究人員同時表示，諾基亞著眼于提高感光元件在強光和弱光的成像品質(zhì)，選用全新的感光元件。如果成功，將會給業(yè)內(nèi)造成巨大的沖擊。

　　不過隨著技術(shù)的成熟，新材料的成本也將大幅降低，石墨烯3D打印材料就是一個很好的證明。就在上個月，知名石墨烯企業(yè)、倫敦上市公司HaydaleGrapheneIndustries(HGI)全資子公司HaydaleCompositeSolutions(HCS)宣布將與熱塑性3D打印線材生產(chǎn)商Filamentprint公司及Fullerex公司共同合作，推廣和銷售石墨烯增強聚乳酸(PLA)線材應(yīng)用于3D打印。據(jù)了解，這款全新的3D打印線材將會在本月舉辦的TCT增材制造展會上正式露面。

　　目前這種3D打印材料已經(jīng)在幾家大型3D打印公司進(jìn)行了使用并取得了良好的反響。HCS公司董事總經(jīng)理GerryBoyce發(fā)表聲明稱：“我們非常興奮能夠為3D打印應(yīng)用開發(fā)出石墨烯增強的熱塑性材料。這些新材料擁有諸多優(yōu)點，包括能夠使零部件更硬、更強、更快!一直以來，打印速度就是阻礙3D打印技術(shù)得以大規(guī)模應(yīng)用的障礙。一想到未來能夠直接根據(jù)CAD制造出結(jié)構(gòu)性部件的前景就讓我們無比激動。”

　　除了推出其第一款商用石墨烯增強PLA線材之外，該公司也正在研究包括ABS、尼龍和PP(聚丙烯)材料在內(nèi)的石墨烯增強3D打印線材。此外，這兩家公司也可以根據(jù)客戶需求開發(fā)出定制的石墨烯增強熱塑性線材，以滿足特定的產(chǎn)品要求。

　　諾貝爾獎物理學(xué)獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫曾在今年的MWC移動通信大會的石墨烯專場上指出：“石墨烯和其他的二維材料擁有獨特的性能，它們可以為可彎曲和透明的電子設(shè)備提供基本的形態(tài)。最早的應(yīng)用之一是在印刷型電子產(chǎn)品中的二維材料應(yīng)用，接下來將在移動的印刷型電子設(shè)備中有所應(yīng)用。”

　　不過，石墨烯的應(yīng)用在整個行業(yè)都還沒有一個清晰的途徑。“我們接觸過很多高等院校的教授，他們也寫過一些比較有意思的論文，但問題是他們不了解產(chǎn)業(yè)和市場，從研究到產(chǎn)品是一個極其復(fù)雜的過程，石墨烯一定要變成一種電子元器件才有它的實際應(yīng)用價值。在實驗室里成功的案例，未必拿到生產(chǎn)線上就可行。”李平對記者表示，“我們還是要依靠自己的研究人員進(jìn)行研發(fā)，結(jié)合整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和需求，但是剛開始產(chǎn)品成本是個問題。”