清華教授朱宏偉談“黑金”石墨烯：未來任重道遠

　　他是誰?他是清華大學材料學院教授，在石墨烯材料領(lǐng)域有近十年的研究，他和團隊合作開發(fā)了一種基于石墨烯的多功能電子皮膚，通過快速變化的器件顏色準確地探測微小的變形刺激。

　　精彩觀點：

　　1、石墨烯在制備上還有瓶頸，還沒有真正穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、高可控的批量制備技術(shù)。

　　2、結(jié)構(gòu)缺陷仍然是目前石墨烯制備中存在的問題，但可以巧妙的利用這一缺陷，開發(fā)高靈敏多功能柔性傳感器。

　　3、國外很多大企業(yè)關(guān)注石墨烯，都一定會想著先把前期路鋪好，寧可將大量資金投入基礎(chǔ)研發(fā)，也不會盲目建生產(chǎn)線。但中國企業(yè)總是先將架子搭起來，但就是個空架子，都不敢運行，因為沒有下游市場。

　　4、現(xiàn)在石墨烯的問題，還是沒有找到一個真正適合它的應(yīng)用，石墨烯在電池方面不會是一個突破性的，顛覆性的應(yīng)用。

　　5、石墨烯確實有泡沫，魚龍混雜，但是這個現(xiàn)象是一個東西能走向成熟，最后能應(yīng)用起來的一個必然存在的現(xiàn)象。

　　6、今年是是一個很關(guān)鍵的一年，如果真正找不到應(yīng)用，無論是資本市場還是基礎(chǔ)研發(fā)基本都會退了。

　　訪談安排在清華大學逸夫技術(shù)科學樓，此時正值學校暑假，但卻是朱宏偉最忙碌的時候，唯有這時才能忙些自己感興趣的事情。在去往朱宏偉教授的辦公室途中，會經(jīng)過2-3個貼有“朱宏偉實驗室”的房間，門都開著，有一兩個學生在里面忙碌著。

　　在采訪之前就聽說朱宏偉教授觀點非常犀利，對石墨烯研究已經(jīng)有十余年的時間。果不其然，他會顛覆業(yè)界對“黑金”石墨烯的盲目推崇;他會直言，國內(nèi)很多企業(yè)打著石墨烯的幌子渾水摸魚;他會說，所謂的“用石墨烯制作電容裝置幾分種就能完成智能手機充電”太過夸張;他認為，國內(nèi)石墨烯有泡沫很正常，這是走向成熟的必然存在的現(xiàn)象。

　　掣肘一：制備

　　2004年曼徹斯特大學的兩位科學家(K. Novoselov和A. Geim)費勁地用膠帶從石墨上剝離下來了一點石墨烯，由此獲得了2010年諾貝爾物理獎，并被視作“石墨烯之父”，而石墨烯也走入科研界和產(chǎn)業(yè)界視野，成為追捧的對象。

　　石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”，甚至被譽為“徹底改變21世紀的黑科技”。之所以有這樣的美譽，是因為石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。由于碳原子特殊結(jié)構(gòu)的排列導致了石墨烯擁有一些非常神奇的特性：石墨烯不僅是世界上最硬的材料，而且有很強的柔韌性;而且擁有高導熱性和超快的載流子遷移率。

　　這些特性隨便哪一個被應(yīng)用都將是顛覆當前產(chǎn)業(yè)的技術(shù)：比如石墨烯的透明性、導電性和柔性應(yīng)用在電子器件領(lǐng)域，就可以實現(xiàn)柔性觸控屏，手機可以像腕表一樣折疊起來;石墨烯的抗?jié)B性和導電性可應(yīng)用于防護涂層和阻隔膜;石墨烯的柔性、透明性及對多種物理信號的高靈敏度響應(yīng)可以制成傳感器，應(yīng)用在多功能電子皮膚;也可以用石墨烯做電極材料，提升儲能器件的性能。

　　隨便哪一種應(yīng)用都可以說是顛覆性的革命。華為創(chuàng)始人任正非在接受媒體采訪時曾表示未來十年到二十年內(nèi)會爆發(fā)一場技術(shù)革命，石墨烯時代將會顛覆硅時代，石墨烯是技術(shù)革命前沿。但所謂的“石墨烯時代”其實還很遙遠。

　　“在制備上，我覺得還沒有真正穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、高可控的批量制備技術(shù)。雖然國內(nèi)近兩年在制備方面有很多突破?！敝旌陚ソ淌诒硎?。

　　石墨烯的制備方法主要包括：機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法、氣相沉積法等。

　　“雖然制備技術(shù)多種多樣，但如果獲得高晶度、高質(zhì)量的石墨烯還是有難度?！敝旌陚ケ硎?，“材料能夠應(yīng)用起來很大程度上取決于制備，只有獲得穩(wěn)定可靠批量的制備技術(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其實以前的材料都是這樣的模式，不管是鋼鐵、半導體、塑料、高分子，沒有可靠的批量制備技術(shù)，基礎(chǔ)研究做的再好也都用不起來?！?/p>

　　掣肘二：應(yīng)用

　　雖然在制備上還存在問題，但中國石墨烯產(chǎn)業(yè)卻似乎迎來了“春天”：來自中國經(jīng)濟信息社發(fā)布的《2016-2017中國石墨烯發(fā)展年度報告》顯示2016年以來，中國石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長，年新增企業(yè)超過700家，其中研發(fā)類企業(yè)占比約43%。

　　不僅如此，從政府層面也對石墨烯產(chǎn)業(yè)進行鼓勵支持，各地政府紛紛成立了與石墨烯相關(guān)的產(chǎn)業(yè)園區(qū)或者企業(yè)聯(lián)盟或是示范基地。

　　“我感覺現(xiàn)在中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)是走在最前面的，不管是政府、企業(yè)、、資本市場、學術(shù)界都給予了很大的關(guān)注。另外，就是大家都在努力找應(yīng)用，可以讓其真正走向普通百姓的應(yīng)用?！敝旌陚ソ淌诒硎?。

　　對于中國石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，中科院院士劉忠范在接受澎湃新聞時曾總結(jié)道：中國的石墨烯行業(yè)存在很多不正?，F(xiàn)象。股票市場盲目炒作，利用石墨烯名目圈錢;地方政府盲目上馬，圈地建產(chǎn)業(yè)園;還有一批不負責任的石墨烯玩家炒概念。

　　有媒體曾報道如果用石墨烯制作電容裝置，它的充放電速度是鋰電池100倍——1000倍，幾分鐘就能完成智能手機充電。對此，朱宏偉教授這個在理論和實驗上都不成立。

　　在朱宏偉看來，中國很多企業(yè)開發(fā)的石墨烯應(yīng)用過于粗放了，石墨烯的真正能夠發(fā)揮作用的應(yīng)該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結(jié)構(gòu)特點的場合，或在微納芯片、光電子等核心器件里。

　　與國外相比，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展有點“操之過急”。朱宏偉表示，國外很多大企業(yè)關(guān)注石墨烯，都一定會想著先把前期路鋪好，寧可將大量資金投入基礎(chǔ)研發(fā)，也不會盲目建生產(chǎn)線。但中國企業(yè)總是先將架子搭起來，但就是個空架子，都不敢運行，因為沒有下游市場。

　　“很多企業(yè)都是免費送石墨烯，但仍然用不起來?！敝旌陚ケ硎?，“中國石墨烯市場有泡沫，魚龍混雜，但是這個現(xiàn)象是一個東西能走向成熟，最后能應(yīng)用起來的一個必然存在的現(xiàn)象。今年是是一個很關(guān)鍵的一年，如果找不到真正的應(yīng)用，無論是資本市場還是基礎(chǔ)研發(fā)的熱情都會有所消退?！?/p>

　　掣肘變成優(yōu)勢：多功能電子皮膚

　　結(jié)構(gòu)缺陷仍然是目前石墨烯制備中存在的問題，朱宏偉教授及其團隊巧妙的利用了這一缺陷，開發(fā)了一種基于石墨烯柔性傳感器的多功能電子皮膚。

　　關(guān)于多功能電子皮膚研究團隊很多，材料也多種多樣，有傳統(tǒng)碳材料、金屬材料、半導體材料、納米材料等等。但朱宏偉教授團隊是較早基于石墨烯開發(fā)高靈敏多功能柔性傳感器的。

　　“為何是石墨烯，因為仿造人的皮膚需要和身體能夠很好的貼合。所以這個東西一定要薄，甚至要透明就像電子紋身一樣，還要能夠感知和傳遞各種信號。石墨烯的特性是這一應(yīng)用的最佳材料之選?！敝旌陚ケ硎?。

　　正如前文所提到的，現(xiàn)在獲得高晶度、高質(zhì)量的石墨烯在制備上還存在一定難度。因此，朱宏偉在想，是不是可以避開制備技術(shù)上的高要求，也許有些應(yīng)用就是利用這一有缺陷的石墨烯，比如傳感器。

　　晶化、高質(zhì)量的石墨烯對變形不敏感，但一旦設(shè)計一些缺陷，馬上就會靈敏起來，而這正是傳感器需要的，需要對外界信號的變化敏感。

　　“石墨烯要是一個完整的單晶片，當變形的時候，電阻變化不大，也就不靈敏。因此，我們設(shè)計了一種特殊的結(jié)構(gòu)，就像魚鱗一樣?！敝旌陚バ稳?，“把石墨烯的每一小片堆起來，在拉伸時片和片之間會有滑動，電阻會迅速變化。極其微小的變形就會使電阻有一個非常明顯的變化?！?/p>

　　就是利用這樣一種巧妙的仿生結(jié)構(gòu)，進一步了設(shè)計基于石墨烯的多功能電子皮膚，極大地降低了變色閾值的開啟應(yīng)變，在應(yīng)變10%以內(nèi)，通過快速變化的器件顏色準確地探測微小的變形刺激。

　　目前，朱宏偉教授想把這個產(chǎn)品原型進行產(chǎn)品化，做成監(jiān)測人體生理狀態(tài)的可穿戴設(shè)備;另外，通過不同的堆疊結(jié)構(gòu)還設(shè)計出了基于石墨烯試紙的液體分析方法，應(yīng)用到食品安全方面，檢測飲料、酒類，進行識別、防偽、真假的辨別。