“中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一。中英在石墨烯研究領域完全可以實現(xiàn)“強強聯(lián)合”。相信雙方交流合作將推動相關研究和開發(fā)進程，令雙方受益。”這是2015年10月23日國家主席習近平在參觀英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時作了以上講話。
距離習近平參觀斯特大學國家石墨烯研究院僅僅過去了一天，華為便宣布與曼徹斯特大學石墨烯研究中心簽署合作協(xié)議，共同開發(fā)ICT領域的下一代高性能技術。該項目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用于消費電子產(chǎn)品和移動通信設備。
石墨烯究竟是什么？竟讓習主席如此關注
你一定想象不到，其實在普通鉛筆里就藏著石墨烯！石墨烯是一種由單層碳原子構成的材料。換句話說，鉛筆芯用的石墨就相當于無數(shù)層石墨烯疊在了一起，只要能把鉛筆芯分離得夠薄，就能得到石墨烯。
從化學成分看，石墨烯與鉆石一樣，本質都是碳。但由于石墨烯的單層碳原子之間相互連接成穩(wěn)定的六角網(wǎng)格，所以這種極薄的材料既柔韌又堅固：可以彎曲到很大角度而不斷裂，并抵抗很高的壓力，從而被稱為“全世界最硬”的材料。
美國機械工程師杰弗雷·基薩教授曾用一種形象的方法解釋石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上才能辦到。
石墨烯只有一層碳原子，非常非常薄，這就使得它在可見光下呈透明但又不透氣的狀態(tài)。加上一層原子的結構構成使得電子運動被限制在同一平面，這讓石墨烯具備了全新的電學屬性。研究物理的朋友簡單地向我們解釋說，就是把石墨做成層層的超薄納米材料，現(xiàn)在應用得最多的是在電池上。
這種超薄納米材料，有特別好的導電性、導熱性，還很輕薄，并有一個超大的表面積。據(jù)《世界報》消息，西班牙一家石墨烯生產(chǎn)公司同西班牙一所大學合力研究出石墨烯聚合材料電池，這種電池有非常好的存電性，它的儲電量有可能是市場上最好產(chǎn)品的3倍。使用這種電池的電動車可以最多行駛1000公里，而充電時間還不到8分鐘。
石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的？
石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。那么它是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？
石墨烯墨烯最早是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機。據(jù)相關專家分析，用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。
石墨烯的應用領域有哪些？竟引得各巨頭爭搶
華為今天宣布與曼徹斯特大學石墨烯研究中心簽署合作協(xié)議同樣引起業(yè)界的關注，但華為絕非第一家對石墨烯虎視眈眈的巨頭。三星和蘋果也早早在石墨烯領域展開競爭，希望盡早推出使用石墨烯材質的產(chǎn)品。與此同時，其他領域的巨頭也在爭相拓展石墨烯的應用空間。10月9日，中國中車株機公司宣布，自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容問世。據(jù)悉，全新的超級電容利用石墨烯的特質，功率提升了3倍，電能運用效率更高。
業(yè)界認為，根據(jù)石墨烯的特性，電子紙、觸摸屏、燃料電池、飛機機翼、凈水科技等眾多領域都有應用前景。那么石墨烯可以應用在哪些領域呢？
根據(jù)2014年中科院發(fā)布了一份關于石墨烯的報告指出石墨烯的主要集中在如下四個領域：
傳感器領域。石墨烯因其獨特的二維結構在傳感器中有廣泛的應用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA電化學傳感器的制作。新加坡南洋理工大學開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國倫斯勒理工學院研制出性能遠超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。
儲能和新型顯示領域。石墨烯具有極好的電導性和透光性，作為透明導電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲能電池等方面有很好的應用。石墨烯被認為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業(yè)均在此領域作了重點研發(fā)布局。美國德州大學奧斯汀分校研究人員利用KOH對石墨烯進行化學修飾重構形成多孔結構，得到的超級電容的儲能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學科學家研發(fā)出一種獨特蜂巢狀結構的三維石墨烯電極，光電轉換效率達到7.8%，且價格低廉，有望取代鉑在太陽能電池中的應用。東芝公司研發(fā)出石墨烯與銀納米線復合透明電極，并實現(xiàn)了大面積化。
半導體材料領域。石墨烯被認為是替代硅的理想材料，大量有實力的企業(yè)均開展了石墨烯半導體器件的研發(fā)。韓國成均館大學開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導體，可以長時間暴露在空氣中使用。美國哥倫比亞大學研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領域具有廣泛的應用前景。IBM的研究人員開發(fā)出了石墨烯場效應晶體管，其截止頻率可達100GHz，頻率性能遠超相同柵極長度的最先進硅晶體管的截止頻率。
生物醫(yī)學領域。石墨烯及其衍生物在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細菌分析、DNA和蛋白質檢測。如美國賓夕法尼亞大學開發(fā)的石墨烯納米孔設備可以快速完成DNA測序。石墨烯量子點應用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點。石墨烯在生物醫(yī)學領域的應用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應用領域之一。
這就能解釋為什么任正非早早就看中了石墨烯產(chǎn)業(yè)。任正非曾公開表示過：“現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已臨近邊界了，石墨烯是技術革命前沿”。試想，如果華為的手機用上了含有石墨烯的觸摸屏、芯片、充電器，不僅能運行更靈敏，重量和設計也能更輕更薄。
石墨烯的未來前景
曼徹斯特大學國家石墨烯研究所是石墨烯研究和商用的領先機構，推動學術界和產(chǎn)業(yè)界共同研究石墨烯的應用。目前，已有40多家企業(yè)與曼徹斯特大學的235名研究人員合作開展石墨烯和相關二維材料的研究。英國國家工程和物理科學研究委員會和歐洲區(qū)域發(fā)展基金分別出資3800萬英鎊和2300萬英鎊建立了曼徹斯特大學國家石墨烯研究所。
而我國石墨烯成本已經(jīng)從1000元/斤下降至100元/斤，石墨烯制備水平也不斷成熟，這為我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；l(fā)展打下了重要基礎。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院提供的《“十二五”期間中國石墨烯行業(yè)深度市場調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》顯示，我國已申請了2200多項石墨烯專利技術，數(shù)量達世界石墨烯專利的1/3。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)分布中，我國已形成以江蘇省(常州、無錫、南京等地)為中心，寧波、青島、重慶、德陽、河北、北京等地活躍分散發(fā)展的格局。預計在政策與企業(yè)研發(fā)不斷釋放利好的前提下，2015年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破100億元，并在5至10年內(nèi)快速突破1000億元。
2015年以來，A股有10家公司先后宣布成立石墨烯研究公司、參與研究項目、就石墨烯項目進行投資等事項。預計在政策利好下，石墨烯產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪投資熱潮。
01月07日 18:14
