清华教授朱宏伟谈“黑金”石墨烯:未来任重道远

2017-08-31 10:23:06编辑:冀凯 关键字:石墨烯
  他是谁?他是清华大学材料学院教授,在石墨烯材料领域有近十年的研究,他和团队合作开发了一种基于石墨烯的多功能电子皮肤,通过快速变化的器件颜色准确地探测微小的变形刺激。

  精彩观点:

  1、石墨烯在制备上还有瓶颈,还没有真正稳定、可靠、高质量、高可控的批量制备技术。

  2、结构缺陷仍然是目前石墨烯制备中存在的问题,但可以巧妙的利用这一缺陷,开发高灵敏多功能柔性传感器。

  3、国外很多大企业关注石墨烯,都一定会想着先把前期路铺好,宁可将大量资金投入基础研发,也不会盲目建生产线。但中国企业总是先将架子搭起来,但就是个空架子,都不敢运行,因为没有下游市场。

  4、现在石墨烯的问题,还是没有找到一个真正适合它的应用,石墨烯在电池方面不会是一个突破性的,颠覆性的应用。

  5、石墨烯确实有泡沫,鱼龙混杂,但是这个现象是一个东西能走向成熟,最后能应用起来的一个必然存在的现象。

  6、今年是是一个很关键的一年,如果真正找不到应用,无论是资本市场还是基础研发基本都会退了。

  访谈安排在清华大学逸夫技术科学楼,此时正值学校暑假,但却是朱宏伟最忙碌的时候,唯有这时才能忙些自己感兴趣的事情。在去往朱宏伟教授的办公室途中,会经过2-3个贴有“朱宏伟实验室”的房间,门都开着,有一两个学生在里面忙碌着。


     


  在采访之前就听说朱宏伟教授观点非常犀利,对石墨烯研究已经有十余年的时间。果不其然,他会颠覆业界对“黑金”石墨烯的盲目推崇;他会直言,国内很多企业打着石墨烯的幌子浑水摸鱼;他会说,所谓的“用石墨烯制作电容装置几分种就能完成智能手机充电”太过夸张;他认为,国内石墨烯有泡沫很正常,这是走向成熟的必然存在的现象。

  掣肘一:制备

  2004年曼彻斯特大学的两位科学家(K. Novoselov和A. Geim)费劲地用胶带从石墨上剥离下来了一点石墨烯,由此获得了2010年诺贝尔物理奖,并被视作“石墨烯之父”,而石墨烯也走入科研界和产业界视野,成为追捧的对象。

  石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”,甚至被誉为“彻底改变21世纪的黑科技”。之所以有这样的美誉,是因为石墨烯是人们发现的第一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。由于碳原子特殊结构的排列导致了石墨烯拥有一些非常神奇的特性:石墨烯不仅是世界上最硬的材料,而且有很强的柔韧性;而且拥有高导热性和超快的载流子迁移率。

  这些特性随便哪一个被应用都将是颠覆当前产业的技术:比如石墨烯的透明性、导电性和柔性应用在电子器件领域,就可以实现柔性触控屏,手机可以像腕表一样折叠起来;石墨烯的抗渗性和导电性可应用于防护涂层和阻隔膜;石墨烯的柔性、透明性及对多种物理信号的高灵敏度响应可以制成传感器,应用在多功能电子皮肤;也可以用石墨烯做电极材料,提升储能器件的性能。

  随便哪一种应用都可以说是颠覆性的革命。华为创始人任正非在接受媒体采访时曾表示未来十年到二十年内会爆发一场技术革命,石墨烯时代将会颠覆硅时代,石墨烯是技术革命前沿。但所谓的“石墨烯时代”其实还很遥远。

  “在制备上,我觉得还没有真正稳定、可靠、高质量、高可控的批量制备技术。虽然国内近两年在制备方面有很多突破。”朱宏伟教授表示。

  石墨烯的制备方法主要包括:机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、气相沉积法等。

  “虽然制备技术多种多样,但如果获得高晶度、高质量的石墨烯还是有难度。”朱宏伟表示,“材料能够应用起来很大程度上取决于制备,只有获得稳定可靠批量的制备技术,才能够实现产业化。其实以前的材料都是这样的模式,不管是钢铁、半导体、塑料、高分子,没有可靠的批量制备技术,基础研究做的再好也都用不起来。”

  掣肘二:应用

  虽然在制备上还存在问题,但中国石墨烯产业却似乎迎来了“春天”:来自中国经济信息社发布的《2016-2017中国石墨烯发展年度报告》显示2016年以来,中国石墨烯企业爆发式增长,年新增企业超过700家,其中研发类企业占比约43%。

  不仅如此,从政府层面也对石墨烯产业进行鼓励支持,各地政府纷纷成立了与石墨烯相关的产业园区或者企业联盟或是示范基地。

  “我感觉现在中国的石墨烯产业是走在最前面的,不管是政府、企业、、资本市场、学术界都给予了很大的关注。另外,就是大家都在努力找应用,可以让其真正走向普通百姓的应用。”朱宏伟教授表示。

  对于中国石墨烯产业现状,中科院院士刘忠范在接受澎湃新闻时曾总结道:中国的石墨烯行业存在很多不正常现象。股票市场盲目炒作,利用石墨烯名目圈钱;地方政府盲目上马,圈地建产业园;还有一批不负责任的石墨烯玩家炒概念。

  有媒体曾报道如果用石墨烯制作电容装置,它的充放电速度是锂电池100倍——1000倍,几分钟就能完成智能手机充电。对此,朱宏伟教授这个在理论和实验上都不成立。

  在朱宏伟看来,中国很多企业开发的石墨烯应用过于粗放了,石墨烯的真正能够发挥作用的应该是能充分利用其“轻、薄、柔”等结构特点的场合,或在微纳芯片、光电子等核心器件里。

  与国外相比,中国石墨烯产业发展有点“操之过急”。朱宏伟表示,国外很多大企业关注石墨烯,都一定会想着先把前期路铺好,宁可将大量资金投入基础研发,也不会盲目建生产线。但中国企业总是先将架子搭起来,但就是个空架子,都不敢运行,因为没有下游市场。

  “很多企业都是免费送石墨烯,但仍然用不起来。”朱宏伟表示,“中国石墨烯市场有泡沫,鱼龙混杂,但是这个现象是一个东西能走向成熟,最后能应用起来的一个必然存在的现象。今年是是一个很关键的一年,如果找不到真正的应用,无论是资本市场还是基础研发的热情都会有所消退。”

  掣肘变成优势:多功能电子皮肤

  结构缺陷仍然是目前石墨烯制备中存在的问题,朱宏伟教授及其团队巧妙的利用了这一缺陷,开发了一种基于石墨烯柔性传感器的多功能电子皮肤。

  关于多功能电子皮肤研究团队很多,材料也多种多样,有传统碳材料、金属材料、半导体材料、纳米材料等等。但朱宏伟教授团队是较早基于石墨烯开发高灵敏多功能柔性传感器的。

  “为何是石墨烯,因为仿造人的皮肤需要和身体能够很好的贴合。所以这个东西一定要薄,甚至要透明就像电子纹身一样,还要能够感知和传递各种信号。石墨烯的特性是这一应用的最佳材料之选。”朱宏伟表示。

  正如前文所提到的,现在获得高晶度、高质量的石墨烯在制备上还存在一定难度。因此,朱宏伟在想,是不是可以避开制备技术上的高要求,也许有些应用就是利用这一有缺陷的石墨烯,比如传感器。

  晶化、高质量的石墨烯对变形不敏感,但一旦设计一些缺陷,马上就会灵敏起来,而这正是传感器需要的,需要对外界信号的变化敏感。

  “石墨烯要是一个完整的单晶片,当变形的时候,电阻变化不大,也就不灵敏。因此,我们设计了一种特殊的结构,就像鱼鳞一样。”朱宏伟形容,“把石墨烯的每一小片堆起来,在拉伸时片和片之间会有滑动,电阻会迅速变化。极其微小的变形就会使电阻有一个非常明显的变化。”

  就是利用这样一种巧妙的仿生结构,进一步了设计基于石墨烯的多功能电子皮肤,极大地降低了变色阈值的开启应变,在应变10%以内,通过快速变化的器件颜色准确地探测微小的变形刺激。

  目前,朱宏伟教授想把这个产品原型进行产品化,做成监测人体生理状态的可穿戴设备;另外,通过不同的堆叠结构还设计出了基于石墨烯试纸的液体分析方法,应用到食品安全方面,检测饮料、酒类,进行识别、防伪、真假的辨别。



关键字:石墨烯

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