石墨烯引发科学淘金热

2013-09-27 13:20:59来源: 华尔街日报
    一种强度是钢的200倍、厚度仅为一个原子直径的物质引发了一场全球科学淘金热,令各大公司和大学纷纷去研究和申请专利,想从这种与普通铅笔芯“血脉相承”、但更苗条更有魅力的物质中获利。


Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
剑桥大学石墨烯研究项目的负责人安德烈·法拉利博士正在检查用于原子直径厚度材料实验的设备。
这种物质就是石墨烯。前不久,为了展示它的潜力,安德烈·法拉利(Andrea Ferrari)拿起一片透明塑胶,将其弯曲,然后轻击上头无形的按键,发出了叮咚作响的音乐声。

该键盘由法拉利博士所在的剑桥大学(University of Cambridge)实验室制作,它是用石墨烯打印出来的。这种物质柔韧性极强,科学家预测它将实现有关折叠电话和能折叠放进口袋的电子报纸的梦想。

它是已知的最薄的物质,但却又极其坚硬、轻薄和柔韧。它在导电导热和吸收光释放光方面的能力超群。

科学家十年前才分离出了石墨烯这种物质,但有些公司已经开始将它纳入产品之中:Head NV去年推出了一种注入石墨烯的网球拍。苹果公司(Apple Inc.)、萨博(Saab AB)和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Corp.)最近已经申请或获得了使用石墨烯的专利。

法拉利博士说:“石墨烯就像钢、塑料和硅一样,是一种会真正改变社会的物质。”他在剑桥大学带领着一个约40人的石墨烯研究小组。

石墨烯也面临着障碍。对于大众市场来说它还是太过昂贵,它无法应用于某些电脑芯片电路中,科学家依然在试图找出更好的方法将其变成可用的形式。英国研究公司Cambridge Intellectual Property主席昆廷·坦诺克(Quentin Tannock)说:“石墨烯是一种利用起来很复杂的技术。寻找其价值的比赛是马拉松而不是短跑。”


对石墨烯的兴趣从2010年开始激增,当时有两名研究员因分离出这种物质获得诺贝尔奖。目前,行业和学术界的科学家们正忙着为其广泛的潜在用途申请专利。

休斯顿莱斯大学(Rice University)石墨烯专家詹姆斯·托尔(James Tour)说:“只要发现了什么,我就会申请专利。”

苹果申请了将石墨烯用于制作移动设备“散热器”的专利。萨博申请了为飞机机翼除冰的石墨烯加热电路的专利。洛克希德·马丁今年获得了美国政府颁发的利用微型孔隙从海水中过滤盐分的石墨烯薄膜的专利。

还有的公司申请了将石墨烯用于电脑芯片、电池、弹性触摸屏、防锈涂层、DNA序列分析设备以及轮胎的专利。英国的一群科学家已经将石墨烯薄膜用于蒸馏伏特加。

Cambridge Intellectual说,截至今年5月,全球共有9,218项公开的石墨烯专利和专利申请,较一年前增长19%。该机构表示,在过去五年中,石墨烯专利申请累计数量增加了五倍多。

Cambridge Intellectual的主席坦诺克说:“这是一场圈地运动。”他说,对每一项研究成果都申请专利,“你就可以选择在以后起诉你的竞争对手,制止他们的研究和使用”。他说,许多石墨烯专利申请看起来都是合法的,但有些只是推测性质,有些则可能是误导对手的诱饵。


Daniella Zalcman for The Wall Street Journal
“一有发现,我就会申请专利。”图中手持圆盘的这位石墨烯专家说道。
石墨烯短期内最有可能应用于高速电子设备以及与法拉利博士的键盘一样的弹性电路,因为会有对弹性电子显示屏使用的需求。韩国三星电子公司(Samsung Electronics Co.)和芬兰诺基亚公司(Nokia Corp.)等公司已经申请了石墨烯在移动设备中各种用途的专利。

最热门的领域是用于制造电路的石墨烯墨水,一些公司已经开始销售这种产品。法拉利博士的实验室去年申请了一种可用喷墨打印机打印的石墨烯墨水的专利。巴斯夫(BASF SE)正在实验用石墨烯墨水打印弹性电路,安装在可加热汽车座椅的垫衬内,该公司表示这种技术将会在未来几年进入市场。

巴斯夫石墨烯研究团队主管马蒂亚斯·施瓦布(Matthias Schwab)说,“石墨烯结合了各种不同的效用”,这让它变得很与众不同,“没有其他哪种物质可以做到这点”。

实际上,石墨烯只有两个维度,微观结构很像铁丝网。在五年前发表的一项研究中,哥伦比亚大学(Columbia University)的研究员总结说,石墨烯是可测量的硬度最强的物质。他们计算出,需要一头大象站在铅笔末端才能刺破一片保鲜膜厚度的石墨烯。

石墨烯可吸收和释放的光的波长范围比任何已知的物质都大。它的导电性能比硅强得多。和易碎的硅不同,石墨烯柔韧性好、可伸缩。


图解石墨烯材料
石墨烯电路最终有望比铜和银等传导材料更便宜,因为它可以由石墨——普通铅笔芯的主要成分——制成,而且也可以由一定量的气体和金属混合制成,或由固体碳源合成。

莱斯大学的托尔博士在2011年展示了石墨烯可以用各种不同的碳源合成,包括草、女童子军曲奇饼干和蟑螂腿。

托尔博士的实验室申请了多项石墨烯专利,包括增强复合材料强度的石墨烯条,他说其强度可用于制造高压天然气罐,这种气罐可以直接在汽车内铸模。他说,快速申请专利“让我们在这种技术中有了一席之地”。

其中一个拖石墨烯后腿的因素是成本。有些美国供应商将铜箔上的石墨烯薄膜定价为每平方英寸60美元左右。德国Aixtron SE剑桥分公司总监肯尼斯·泰奥(Kenneth Teo)估计:“像高速晶体管这样的高端电子应用应该在每平方英寸一美元左右,触摸显示屏应该每平方英寸低于10美分。”该公司专门制造生产石墨烯的机器。

通常石墨烯必须与其他材料相结合才能开发其属性,科学家们依然在尝试如何才能有效地进行开发。

石墨烯也有一个显著的缺点:不容易实现开关特性。IBM公司(International Business Machines Corp)最初对将石墨烯用于电脑芯片非常乐观,但后来发现由于电子在其中的运动速度太快,不容易关掉,因此很难将电流转换为“1”和“0”的数字码。

全球的实验室都在试图解决这个问题。但IBM研究部门物理科学负责人苏普拉蒂克·古哈(Supratik Guha)说,目前为止,“我们并没有看到微处理器中的硅被石墨烯所取代”。他说他依然是石墨烯的强力支持者。IBM也是申请石墨烯相关专利的大户。

许多材料曾经受到热捧,但后来都未能实至名归。石墨烯也有可能面临这种命运。高温超导体的发现在1987年获得了诺贝尔奖,产生了大批专利,人们也纷纷预测包括磁悬浮高速列车在内的各类技术的出现。如今世界依然在等待。

但这并不影响科学家们对石墨烯的极大热情。据汤森路透(Thomson Reuters)期刊索引库Web of Science统计,2012年,科学家发表的有关石墨烯的论文较2011年增加了45%。

这是一场全球竞赛:Cambridge Intellectual说,截至今年5月,累积申请石墨烯专利最多的是中国,美国和韩国紧随其后。三星申请的专利数最多,接下来是IBM和韩国首尔成均馆大学(Sungkyunkwan University)。

实验室里或许是天马行空,但有些专利已经被应用到了产品中。马里兰州杰瑟普(Jessup)的Vorbeck Materials Corp.公司生产了一种石墨烯墨水,该公司称这种墨水如今被几家美国商店用来打印用于防盗包装的电路。该公司拒绝透露这些商店的名称。

Head公司申请了一项可将石墨烯用于包括高尔夫球棒和滑雪板固定装置在内的运动装备的专利,其网球拍就是一例应用。公司一位代表建议问询记者参阅公司网站。网站说由于石墨烯强度较大,因此球拍的用料会较少,设计师可以重新安排重量分布以增强球拍力量。

纽约州沃平杰斯福尔斯(Wappingers Falls)初创公司Bluestone Global Tech Ltd.生产的石墨烯片据说会发货给来自美国、新加坡和中国的客户。该公司首席执行长Chung-Ping Lai预测说:“半年内石墨烯将会应用于可投入商业使用的手机的触摸屏。”

在2003年以前,这种对石墨烯的追捧是不可想象的,当时许多科学家认为原子直径厚度的任何物质都不可能不会分崩离析。

当年,安德烈·海姆(Andre Geim)偶然发现了石墨烯的奇妙特性。他是英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的科学家,出生在俄罗斯。他想用很薄的石墨烯来研究其电子属性。一名博士生建议使用透明胶带。

海姆博士和他的同事们用胶带从石墨上剥离出薄片,直到获得薄至透明的石墨层。直到无法再剥离时,就获得了石墨烯。石墨烯层不但没有破碎,反而强度很大、有弹性,而且拥有非凡的电子属性。

其他科学家最初表示怀疑。海姆博士说:“没有多少人相信我们。”但是据剑桥大学的法拉利博士回忆,到2006年3月,当海姆博士在巴尔的摩一场会议中作报告时,会场已是座无虚席。他说:“终于,我明白了这种物质的重要性。”

2010年,海姆博士和他的同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因为石墨烯方面的贡献获得诺贝尔物理学奖。当时,各企业实验室、莱斯和哈佛等大学、以及中国的学术机构已经开始加大石墨烯的研究。2010年,日本和韩国科学家公布了石墨烯触摸屏原型机。

三星和韩国成均馆大学的实验室因其研究力度尤为引人注目。成均馆大学石墨烯研究员Changgu Lee说:“虽然石墨烯的基础研究始于欧洲和美国,但商业应用的早期研究始于韩国。我们想保持领先。”

三星发言人拒绝就公司在石墨烯方面的研究置评。

对石墨烯表现出兴趣的还有美国军方。2011年年末,位于马里兰州艾德菲(Adelphi)的美国陆军研究实验室(U.S. Army Research Laboratory)与波士顿的东北大学(Northeastern University)签署了一项研究石墨烯属性的协议,资金主要来自美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,简称Darpa)30万美元的拨款。

东北大学物理学教授斯里尼瓦斯·斯里达尔(Srinivas Sridhar)说,该大学计划用石墨烯设计更好的夜视镜及其他探测器。Darpa的一位代表在电子邮件中证实了该项目。

今年夏天,通过参观法拉利博士的实验室,记者初步了解到了石墨烯研究的情况。他的同事费利切·托里西(Felice Torrisi)展示了胶带从一块石墨上剥离石墨烯的过程。托里西博士说,“这种规模显然不足以应用于”工业用途。

这说明了石墨烯竞赛中的一个重大目标:寻找生产的最佳方法。大量专利申请都描述了制造石墨烯的方法。

接着托里西博士拿起一小瓶装有石墨烯和水的墨水。旁边的喷墨打印机滋滋作响,将墨水印在一片塑料薄片上,形成一个近乎不可见的电路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士轻击键盘后附带的电子仪器会发出音乐声的关键。

在其他的剑桥实验室里,研究员们展示了一个石墨烯激光器的早期原型机,这款激光器可以发射出超速光脉冲和石墨烯传感器,能够探测到任何波长的光。

石墨烯的导热属性显然是苹果一项专利申请的核心。这项专利申请包括“可携带电子设备”元件背后的石墨烯“散热器”的样图。苹果发言人拒绝置评。

萨博希望利用石墨烯的轻薄和传导性能,将其植入机翼用于除冰。萨博航空设备部门负责未来产品的马茨·帕尔姆贝里(Mats Palmberg)说,这项研究还在初级阶段,“但它肯定是我们推出飞行应用计划的一部分”。

洛克希德在新闻稿中说预计其石墨烯薄膜能够“更有效地进行海水淡化”,而成本只会是目前技术的很小一部分。

诺贝尔获奖者海姆博士说,石墨烯的发现还导致科学家开始研究其他大量拥有特殊属性、具有二维结构的物质。他说:“石墨烯打开了一个我们不知道的物质世界。”

关键字:石墨烯  科学淘金热

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0927/article_26163.html
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