清華教授朱宏偉談“黑金”石墨烯：未來任重道遠(yuǎn)
他是誰？他是清華大學(xué)材料學(xué)院教授，在石墨烯材料領(lǐng)域有近十年的研究，他和團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確地探測(cè)微小的變形刺激。
精彩觀點(diǎn)：
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(huì)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(huì)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(gè)空架子，都不敢運(yùn)行，因?yàn)闆]有下游市場(chǎng)。
4、現(xiàn)在石墨烯的問題，還是沒有找到一個(gè)真正適合它的應(yīng)用，石墨烯在電池方面不會(huì)是一個(gè)突破性的，顛覆性的應(yīng)用。
5、石墨烯確實(shí)有泡沫，魚龍混雜，但是這個(gè)現(xiàn)象是一個(gè)東西能走向成熟，*后能應(yīng)用起來的一個(gè)必然存在的現(xiàn)象。
6、今年是是一個(gè)很關(guān)鍵的一年，如果真正找不到應(yīng)用，無論是資本市場(chǎng)還是基礎(chǔ)研發(fā)基本都會(huì)退了。
訪談安排在清華大學(xué)逸夫技術(shù)科學(xué)樓，此時(shí)正值學(xué)校暑假，但卻是朱宏偉*忙碌的時(shí)候，唯有這時(shí)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(huì)經(jīng)過2-3個(gè)貼有“朱宏偉實(shí)驗(yàn)室”的房間，門都開著，有一兩個(gè)學(xué)生在里面忙碌著。
在采訪之前就聽說朱宏偉教授觀點(diǎn)非常犀利，對(duì)石墨烯研究已經(jīng)有十余年的時(shí)間。果不其然，他會(huì)顛覆業(yè)界對(duì)“黑金”石墨烯的盲目推崇；他會(huì)直言，國內(nèi)很多企業(yè)打著石墨烯的幌子渾水摸魚；他會(huì)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(jī)充電”太過夸張；他認(rèn)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(xué)的兩位科學(xué)家（K. Novoselov和A. Geim）費(fèi)勁地用膠帶從石墨上剝離下來了一點(diǎn)石墨烯，由此獲得了2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)，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(duì)象。
石墨烯被稱為“黑金”、“新材料**”，甚至被譽(yù)為“徹底改變21世紀(jì)的黑科技”。之所以有這樣的美譽(yù)，是因?yàn)槭┦侨藗儼l(fā)現(xiàn)的**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(dǎo)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*硬的材料，而且有很強(qiáng)的柔韌性；而且擁有高導(dǎo)熱性和超快的載流子遷移率。
這些特性隨便哪一個(gè)被應(yīng)用都將是顛覆當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的技術(shù)：比如石墨烯的透明性、導(dǎo)電性和柔性應(yīng)用在電子器件領(lǐng)域，就可以實(shí)現(xiàn)柔性觸控屏，手機(jī)可以像腕表一樣折疊起來；石墨烯的抗?jié)B性和導(dǎo)電性可應(yīng)用于防護(hù)涂層和阻隔膜；石墨烯的柔性、透明性及對(duì)多種物理信號(hào)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(chǔ)能器件的性能。
隨便哪一種應(yīng)用都可以說是顛覆性的**。華為創(chuàng)始人任正非在接受媒體采訪時(shí)曾表示未來十年到二十年內(nèi)會(huì)爆發(fā)一場(chǎng)技術(shù)**，石墨烯時(shí)代將會(huì)顛覆硅時(shí)代，石墨烯是技術(shù)**前沿。但所謂的“石墨烯時(shí)代”其實(shí)還很遙遠(yuǎn)。
“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?！敝旌陚ソ淌诒硎尽?/b>
石墨烯的制備方法主要包括：機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)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(shí)以前的材料都是這樣的模式，不管是鋼鐵、半導(dǎo)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。”
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(jì)信息社發(fā)布的《2016-2017中國石墨烯發(fā)展年度報(bào)告》顯示2016年以來，中國石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，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(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)行鼓勵(lì)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*前面的，不管是政府、企業(yè)、、資本市場(chǎng)、學(xué)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(duì)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(shí)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(chǎng)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(fù)責(zé)任的石墨烯玩家炒概念。
有媒體曾報(bào)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(jī)充電。對(duì)此，朱宏偉教授這個(gè)在理論和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的場(chǎng)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(diǎn)“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(huì)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(huì)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(gè)空架子，都不敢運(yùn)行，因?yàn)闆]有下游市場(chǎng)。
“很多企業(yè)都是免費(fèi)送石墨烯，但仍然用不起來?！敝旌陚ケ硎?，“中國石墨烯市場(chǎng)有泡沫，魚龍混雜，但是這個(gè)現(xiàn)象是一個(gè)東西能走向成熟，*后能應(yīng)用起來的一個(gè)必然存在的現(xiàn)象。今年是是一個(gè)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(chǎng)還是基礎(chǔ)研發(fā)的熱情都會(huì)有所消退?！?/b>
掣肘變成優(yōu)勢(shì)：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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)很多，材料也多種多樣，有傳統(tǒng)碳材料、金屬材料、半導(dǎo)體材料、納米材料等等。但朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)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?yàn)榉略烊说钠つw需要和身體能夠很好的貼合。所以這個(gè)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(hào)。石墨烯的特性是這一應(yīng)用的*佳材料之選?！敝旌陚ケ硎尽?/b>
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(duì)變形不敏感，但一旦設(shè)計(jì)一些缺陷，馬上就會(huì)靈敏起來，而這正是傳感器需要的，需要對(duì)外界信號(hào)的變化敏感。
“石墨烯要是一個(gè)完整的單晶片，當(dāng)變形的時(shí)候，電阻變化不大，也就不靈敏。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)片和片之間會(huì)有滑動(dòng)，電阻會(huì)迅速變化。極其微小的變形就會(huì)使電阻有一個(gè)非常明顯的變化?！本褪抢眠@樣一種巧妙的仿生結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步了設(shè)計(jì)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(zhǔn)確地探測(cè)微小的變形刺激。
目前，朱宏偉教授想把這個(gè)產(chǎn)品原型進(jìn)行產(chǎn)品化，做成監(jiān)測(cè)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(jì)出了基于石墨烯試紙的液體分析方法，應(yīng)用到食品**方面，檢測(cè)飲料、酒類，進(jìn)行識(shí)別、防偽、真假的辨別。
