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石墨烯在电子器件、光学器件、柔性电子、轻型功能部件、先进电池等领域具有重要应用前景,有望对电子信息等多个产业产生重大影响。意识到石墨烯的战略重要性,欧洲着力推进石墨烯的商业化进程。
一、石墨烯材料大有前景
石墨烯具有许多优越性能,使之在众多领域成为突破性技术的可靠基础。石墨烯可用于电子器件、光学器件、柔性电子、轻型功能部件、先进电池等许多关键领域。采用石墨烯技术的新产品的例子包括高速、柔性、牢固的电子消费品,更轻、更节能的飞机。从更长远的角度来看,预计石墨烯将引起新的计算技术范式和人造视网膜这样的革命性医学应用。
诺贝尔奖得主诺沃肖洛夫与其它科学家于2012年10月在著名的《自然》杂志上发表题为《石墨烯路线图》的文章,展示了如何能够获得最薄、最强、导电性最好的石墨烯材料,描述了石墨烯如何有潜力来变革从智能手机、超高速宽带到抗癌药物、计算机芯片等在内的多种应用。
据研究人员预计,首个石墨烯触摸屏设备将在3-5年内上市。采用石墨烯制成的触摸屏设备将持久耐用,并将开启柔性电子的新途径。可卷曲的电子纸是另一项应用,预计可在2015年前研发出样品。
研究人员指出,不同的应用需要不同等级的石墨烯,各种应用可能实现的时间表也根据所需的石墨烯特性有很大区别,利用最低等级的应用将有可能在几年内首次出现,而那些需要最高质量的应用或许还需要数十年时间。例如,光电探测器、高速无限通讯系统和太赫兹发生器(用于医疗成像和安全设备)预计最快到2020年才能实现,而抗癌药物应用大约要到2030年才能成为现实。
二、英国欲打造世界领先的石墨烯研发中心
9年前,英国曼彻斯特大学的两位教授第一次成功分离出石墨烯材料,这使该校成为石墨烯研究领域的焦点。如今,各国都在尝试使石墨烯商业化,希望在工业、技术和电子领域获得具有潜在应用的专利。为此,英国政府已经提供了5000万英镑的投资,力图使这种材料在未来几十年里从实验室进入生产线,并走向市场。英国正在推进石墨烯的商业化进程。这项工作不久将在英国国家石墨烯研究所开始进行。该机构计划于2015年在曼彻斯特大学投资6100万英镑建成,有望成为世界领先的石墨烯研发中心。同时,其他5所大学以及一些重要公司也将加入进来,共同致力于这一重要开发计划。
许多不同领域的其他进展也有望在剑桥大学、杜伦大学、埃克塞特大学、伦敦大学等其他大学进行的最新研究中产生。例如,剑桥大学已经接受委托开展先进的柔性电子产品研究。伦敦帝国理工学院将探究石墨烯在航空航天领域的潜在用途,例如使飞机更为坚固,保护飞机免受雷击等。该学院的科学家还将研究石墨烯的电学性能,并且与欧洲空客等主要公司开展合作。
三、欧盟斥巨资支持石墨烯旗舰项目
欧盟委员会认为,从长期看,石墨烯材料可能同钢铁、塑料一样重要,有可能代替硅成为信息技术的基础材料,还可能在能源、交通和医疗领域发挥重要作用。意识到石墨烯材料的战略重要性,欧盟委员会于2013年1月底选定石墨烯项目为欧盟首个10年投入10亿欧元的“未来和新兴技术旗舰项目”。这一项目的使命是将石墨烯和石墨烯材料从实验室走向社会,彻底改变诸多产业,促进经济增长,并创造新就业。
石墨烯旗舰项目将组成产学研联盟,旨在取得技术创新的重大突破。该项目将涵盖从材料生产到零件和系统集成的整个价值链,并瞄准许多具体目标,以利用石墨烯的独特属性。
从2013年开始,石墨烯旗舰项目将协调欧洲学术界和产业界的126个研究组,并在项目启动后通过公开征集的方式进一步扩大产学研联盟,计划再吸引20-30个研究组。战略咨询委员会将为项目管理团队提供支持。该委员会成员包括三位诺贝尔奖获得者、诺基亚公司和空客公司的代表以及国际科学界的两名代表。在三位诺贝尔奖获得者中,英国曼彻斯特大学物理学家海姆教授和诺沃肖洛夫教授因首先分离出石墨烯材料于2010年获得诺贝尔物理学奖,德国物理学家克利青则发现了整数量子霍尔效应。昔日手机巨头诺基亚公司则希望籍此开发出全新一代的电子消费品。该项目的研究范围十分广泛,却不会涵盖所有领域,例如,该项目不打算在石墨烯显示屏上与韩国竞争。不过,石墨烯的生产显然是该项目的核心。
在30个月的爬坡期阶段,石墨烯旗舰项目将重点关注信息通讯技术和交通领域,并支持石墨烯在能源和传感器领域的应用。爬坡期过后,该项目将全面运行,并吸纳更多新的科研团队。
(作者:张丽娟,中国科学技术信息研究所,研究实习员,主要研究方向为科技政策与管理。)
链接:
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sD2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。
应用前景
1、納电子器件方面
利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率,并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计,也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外,新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵金属,可有效降低成本和对环境的影响。
2、代替硅生产超级计算机
由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。
3、光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的。因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。
4、基因电子测序
由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹,因此,石墨烯有望实现直接的,快速的,低成本的基因电子测序技术。
5、减少噪音
能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合,从而控制噪音。
6、隧穿势垒材料
基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势,美国海军研究试验室将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。
其它应用
石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用未做绷带,食品包装甚至抗菌T恤:用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
发展趋势
石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气桕沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。
石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间,未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。有业内人士如此评价:如果说20世纪是硅的世纪,石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性变化。
一、石墨烯材料大有前景
石墨烯具有许多优越性能,使之在众多领域成为突破性技术的可靠基础。石墨烯可用于电子器件、光学器件、柔性电子、轻型功能部件、先进电池等许多关键领域。采用石墨烯技术的新产品的例子包括高速、柔性、牢固的电子消费品,更轻、更节能的飞机。从更长远的角度来看,预计石墨烯将引起新的计算技术范式和人造视网膜这样的革命性医学应用。
诺贝尔奖得主诺沃肖洛夫与其它科学家于2012年10月在著名的《自然》杂志上发表题为《石墨烯路线图》的文章,展示了如何能够获得最薄、最强、导电性最好的石墨烯材料,描述了石墨烯如何有潜力来变革从智能手机、超高速宽带到抗癌药物、计算机芯片等在内的多种应用。
据研究人员预计,首个石墨烯触摸屏设备将在3-5年内上市。采用石墨烯制成的触摸屏设备将持久耐用,并将开启柔性电子的新途径。可卷曲的电子纸是另一项应用,预计可在2015年前研发出样品。
研究人员指出,不同的应用需要不同等级的石墨烯,各种应用可能实现的时间表也根据所需的石墨烯特性有很大区别,利用最低等级的应用将有可能在几年内首次出现,而那些需要最高质量的应用或许还需要数十年时间。例如,光电探测器、高速无限通讯系统和太赫兹发生器(用于医疗成像和安全设备)预计最快到2020年才能实现,而抗癌药物应用大约要到2030年才能成为现实。
二、英国欲打造世界领先的石墨烯研发中心
9年前,英国曼彻斯特大学的两位教授第一次成功分离出石墨烯材料,这使该校成为石墨烯研究领域的焦点。如今,各国都在尝试使石墨烯商业化,希望在工业、技术和电子领域获得具有潜在应用的专利。为此,英国政府已经提供了5000万英镑的投资,力图使这种材料在未来几十年里从实验室进入生产线,并走向市场。英国正在推进石墨烯的商业化进程。这项工作不久将在英国国家石墨烯研究所开始进行。该机构计划于2015年在曼彻斯特大学投资6100万英镑建成,有望成为世界领先的石墨烯研发中心。同时,其他5所大学以及一些重要公司也将加入进来,共同致力于这一重要开发计划。
许多不同领域的其他进展也有望在剑桥大学、杜伦大学、埃克塞特大学、伦敦大学等其他大学进行的最新研究中产生。例如,剑桥大学已经接受委托开展先进的柔性电子产品研究。伦敦帝国理工学院将探究石墨烯在航空航天领域的潜在用途,例如使飞机更为坚固,保护飞机免受雷击等。该学院的科学家还将研究石墨烯的电学性能,并且与欧洲空客等主要公司开展合作。
三、欧盟斥巨资支持石墨烯旗舰项目
欧盟委员会认为,从长期看,石墨烯材料可能同钢铁、塑料一样重要,有可能代替硅成为信息技术的基础材料,还可能在能源、交通和医疗领域发挥重要作用。意识到石墨烯材料的战略重要性,欧盟委员会于2013年1月底选定石墨烯项目为欧盟首个10年投入10亿欧元的“未来和新兴技术旗舰项目”。这一项目的使命是将石墨烯和石墨烯材料从实验室走向社会,彻底改变诸多产业,促进经济增长,并创造新就业。
石墨烯旗舰项目将组成产学研联盟,旨在取得技术创新的重大突破。该项目将涵盖从材料生产到零件和系统集成的整个价值链,并瞄准许多具体目标,以利用石墨烯的独特属性。
从2013年开始,石墨烯旗舰项目将协调欧洲学术界和产业界的126个研究组,并在项目启动后通过公开征集的方式进一步扩大产学研联盟,计划再吸引20-30个研究组。战略咨询委员会将为项目管理团队提供支持。该委员会成员包括三位诺贝尔奖获得者、诺基亚公司和空客公司的代表以及国际科学界的两名代表。在三位诺贝尔奖获得者中,英国曼彻斯特大学物理学家海姆教授和诺沃肖洛夫教授因首先分离出石墨烯材料于2010年获得诺贝尔物理学奖,德国物理学家克利青则发现了整数量子霍尔效应。昔日手机巨头诺基亚公司则希望籍此开发出全新一代的电子消费品。该项目的研究范围十分广泛,却不会涵盖所有领域,例如,该项目不打算在石墨烯显示屏上与韩国竞争。不过,石墨烯的生产显然是该项目的核心。
在30个月的爬坡期阶段,石墨烯旗舰项目将重点关注信息通讯技术和交通领域,并支持石墨烯在能源和传感器领域的应用。爬坡期过后,该项目将全面运行,并吸纳更多新的科研团队。
(作者:张丽娟,中国科学技术信息研究所,研究实习员,主要研究方向为科技政策与管理。)
链接:
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sD2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。
应用前景
1、納电子器件方面
利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率,并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计,也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外,新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵金属,可有效降低成本和对环境的影响。
2、代替硅生产超级计算机
由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。
3、光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的。因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。
4、基因电子测序
由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹,因此,石墨烯有望实现直接的,快速的,低成本的基因电子测序技术。
5、减少噪音
能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合,从而控制噪音。
6、隧穿势垒材料
基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势,美国海军研究试验室将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。
其它应用
石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用未做绷带,食品包装甚至抗菌T恤:用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
发展趋势
石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气桕沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。
石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间,未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。有业内人士如此评价:如果说20世纪是硅的世纪,石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性变化。