日本全力攻关石墨烯 研发与产业化双轮驱动

   近年来，石墨烯成为全球科技界最青睐的新材料之一，包括我国在内的世界各国都在大力投入研发。实际上，石墨烯并不神秘，我们每次用铅笔画一道线，都会产生石墨烯的碎片。简单地说，石墨烯是由六角形的网眼状结合的碳原子构成，厚度只有1个碳原子大小，是构造其他碳质材料的基本单元。作为科技大国，日本正全力攻关石墨烯，其进展、做法值得我们关注与借鉴。　　
   石墨烯的优异特性　　　

   石墨是制造铅笔芯的材料，它是一种只有碳构成的物质，由平坦排列的数层碳原子层堆积在一起构成。数世纪前，人们就知道石墨的层状结构，并尝试将其分开，不过一直未能成功。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫偶然发现，在很普通的石墨碎片上用透明胶带粘贴，能够成功剥取出一个原子厚度的石墨烯。石墨烯太薄了，厚度仅为约0.3纳米，约300万张石墨烯重叠在一起，才能达到1毫米的厚度，所以可以看做二维材料。　　　　

   这种极薄的碳膜具有很大的潜力，其硬度和钻石持平，电导性是硅的100倍，拉伸强度是钢铁的200倍，在常温下化学性质也非常稳定，电子移动速度超过现今发现的任何物质，即使受热和通电，也能维持稳定、规则的六角形形状，具有令人惊叹的光学和热学特性，而且它几乎是透明的。　　　

　由于这种优异的特性，石墨烯的应用前景非常广阔。如果用石墨烯来制造智能电话和平板电脑，就不用再担心屏幕摔坏的情况，由此制成的屏幕能折叠甚至被揉成团。除此之外，目前石墨烯最有潜力的应用是作为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。　　　　

  正是由于石墨烯的发现产生了物理学和电子工程学上的划时代革新，其发明者安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫才在2010年获得了诺贝尔奖。刚刚发现新材料几年时间就能获得诺贝尔奖，足以说明这一发现有多么重要。　　　　

  地球上的天然石墨蕴藏量达到1亿吨以上，并且不断有新的矿山被发现，是一种非常丰富的资源。由于天然石墨本身就是高纯度的石墨烯的层积体，所以只要能够高效剥离天然石墨，就可以大量生产石墨烯。随着石墨烯的发现，全球的研究所都开始研究石墨烯材料，日本在研发与产业化方面的双轮驱动尤其明显。　　　　

  研发与产业化双轮驱动　　　

 在日本，大学和研究机构都在大力开发石墨烯，并且相继取得了一些突破性成果。　　　　

  2013年7月，日本名古屋大学教授伊丹健一郎率领的研究小组宣布，他们开发出一种像马鞍一样的碳纳米分子，并将其命名为“弯曲纳米石墨烯”。由于碳分子之间有大量微小的空间，易溶到乙醇等有机溶剂中，因此可以用到电子基板上，用于制造太阳能电池和电子元件等。如果向溶有这种新型碳纳米分子的溶液照射紫外线，这种分子能发出绿色的荧光，所以它还有望用于生物成像为代表的医疗领域。　　　　

  2014年12月，日本东北大学助教伊藤良一率领的研究小组宣布开发出了一种新型电极，有望利用石墨烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池车所需的氢燃料。长期以来，燃料电池车的电池成本居高不下，原因之一就是电池中需要使用“白金”——铂作为催化剂。科学界一直在研发用其他廉价材料作为替代催化剂。研究人员指出，如果在石墨烯催化剂中再加入镍，其制氢能力就可以超越铂，预计将此技术市场化后，可以使燃料电池成本大大下降。　　　

　日本企业也积极参与石墨烯开发。石墨烯平台公司就是一家代表性的企业。该公司自2001年开始参与石墨烯的研究开发，于2012年9月在东京工业大学横滨创业园内开设了石墨烯研发中心，实现了产学合作，2012年6月又与英国剑桥大学的研究人员在剑桥设立了子公司“剑桥石墨烯平台有限公司”。随后，英国剑桥大学也向该公司注入了资金。2015年4月，石墨烯平台公司开发的大量生产石墨烯的技术获得专利。迄今为止，该公司已经在20个国家获得了5项基本专利。　　　　

  降低成本是克服石墨烯商业化瓶颈的关键。在这一方面，日本大阪瓦斯公司开发出了将成本减半的技术，制造方法是将来自煤炭的芴(一种提取自煤焦油的有机化合物)与水混合，作为添加剂，然后与石墨高速撞击，从而制造出石墨烯。ADEAK公司则获得了东京大学教授相田卓三开发的石墨烯新生产技术的专利权，这种制造方法是向离子液体中的石墨照射微波制造石墨烯，在30分钟内，就可以高效获得高浓度和高品质的石墨烯。目前已经开始销售石墨烯分散液、粉末等样品，2020年准备进入商业生产。　　　　

  开发前景仍存不确定因素　　　　

   日本石墨烯技术的发展，与政府开展产官学合作开发不无关系。日本文部科学省制定了多个发展纳米技术的战略目标，并由下属机构制定了研究开发方法，具体的课题就是碳纳米管、石墨烯等碳纳米电子技术。2009年后，作为国立研究开发法人的产业技术综合研究所一直致力于石墨烯大量合成技术的开发，研究合成方法、剥离方法和薄膜化以及应用等。但是，石墨烯的实用化仍面临着堆积如山的难题，单靠一个组织恐怕难以克服。因此，产业技术综合研究所在2014年4月建立了“石墨烯共同体”，作为加速石墨烯相关材料开发和实用化的业界合作场所，举办研讨会和推进会员间的合作。　　　　

  日本“全球信息”株式会社2015年4月公布的一份报告显示，在2015年至2025年，在汽车、航天、能源、电子、复合材料领域，石墨烯都将得到应用。不过，高成本、市场尚不成熟、知识不足以及大量生产比较困难，仍在遏制石墨烯市场的形成。其中的根本问题在于大量廉价制造石墨烯的方法尚未完全解决。　　　

　另一个需要注意的问题是这种材料过于万能，反而妨碍其在市场上寻找适当的地位。一个明显的例子就是尼龙，尼龙被开发出之后，很短时间就实现了商品化，这是由于很快找到了用于制造女性长袜这样一个适当的市场。材料的应用领域相对有限，迅速获得经济成功的概率反而更高。上世纪90年代发现的碳纳米管曾一度广受关注，不过如今却归于沉寂，石墨烯要想避免这种命运，还有很多课题需要攻关。