石墨烯作為一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維材料，以最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性最好著稱，具有廣泛的應(yīng)用潛力，成為當(dāng)前全球范圍內(nèi)最為關(guān)注的炭材料。盡管有專家認(rèn)為，由于材料制備的限制，石墨烯規(guī)模化供應(yīng)和需求尚待形成，在短期內(nèi)無法形成產(chǎn)業(yè)化，但隨著世界范圍內(nèi)的大力推動(dòng)，石墨烯從研究到產(chǎn)業(yè)化正在迅速推進(jìn)。
重磅級的石墨烯應(yīng)用研究成果正陸續(xù)涌現(xiàn)
國際上的研究熱點(diǎn)是石墨烯的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、制備方法以及納米材料等，相關(guān)專利主要在石墨烯的制備、能源、顯示技術(shù)、納米材料及復(fù)合材料等領(lǐng)域;我國的研究主要集中在納米材料、材料應(yīng)用研究等領(lǐng)域，相關(guān)專利集中在石墨烯的制備和石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，專利數(shù)量超過2200多項(xiàng)，約為全球的1/3。從公開報(bào)道看，全球一些有影響的重磅級成果包括：
最小最快的晶體管
2009年12月1日在美國召開的材料科學(xué)國際會(huì)議上，日本富士通研究所宣布，在鐵質(zhì)襯底上制成7.5厘米直徑的大面積石墨烯薄膜，在此基礎(chǔ)上配置電極和絕緣層，制成了幾千個(gè)石墨烯晶體管。如進(jìn)一步擴(kuò)大石墨烯面積，還可制作出石墨烯集成電路。2011年4月IBM向媒體展示了新開發(fā)的最快的石墨烯晶體管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)1550億個(gè)循環(huán)操作，比之前的試驗(yàn)用晶體管快50%。
低成本、高比容量的石墨烯電池
2013年，美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。
單分子傳感器
2010 年，美國萊斯大學(xué)利用石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成絕緣體的石墨烷。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導(dǎo)電的石墨烯阱，可作為量子阱。這一技術(shù)可用來制作化學(xué)傳感器、太陽能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級電路等。
全球最小光學(xué)調(diào)制器
加州大學(xué)勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室的張翔教授等組成的研究團(tuán)隊(duì)于2011年宣布，將石墨烯鋪展在一個(gè)硅波導(dǎo)管的頂部，建造出了一款能打開或關(guān)閉光束的光調(diào)制器。每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍。
石墨烯電容觸摸屏
2012 年1月8日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技公司聯(lián)合相關(guān)企業(yè)通過聯(lián)合研究，實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)有ITO模組工藝線的對接，全球首次成功制成電容觸摸屏手機(jī)樣機(jī)，并完成了功能測試。這款近于透明的超級薄膜手機(jī)具有觸摸屏的基本功能。2014年5月，常州二維碳素科技有限公司宣布其第一條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
用于海水淡化的氧化石墨烯薄膜
2014年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與英國曼徹斯特大學(xué)合作，發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。石墨烯表面本來是排斥水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛細(xì)通道卻允許水快速滲透。未來如生產(chǎn)出過濾裝備，可在幾分鐘內(nèi)即可將一杯海水淡化成飲用水。
納米二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)
2014 年，新加坡科學(xué)家用石墨烯研制出納米發(fā)動(dòng)機(jī)原型，其原理與常規(guī)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)完全相同，單層原子厚的石墨烯作為活塞，而激光則起到了火花塞的作用。通過與微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)技術(shù)的結(jié)合，納米發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能將有望為納米器件和納米機(jī)器人提供動(dòng)力。
石墨烯漿料
2014 年5月28日，寧波墨希公司推出了石墨烯漿料和粉末系列新產(chǎn)品，主推產(chǎn)品為平均厚度3納米的多層石墨烯微粉材料，售價(jià)僅為1元/克。寧波墨西公司希望憑借低廉定價(jià)促進(jìn)下游用戶加強(qiáng)新產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)石墨烯在鋰電池、超級電容器、高分子復(fù)合材料、導(dǎo)熱散熱膜、功能涂料、國防軍工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
可穿戴設(shè)備
未來在智能穿戴等生活領(lǐng)域，還將涌現(xiàn)石墨烯的殺手級產(chǎn)品。石墨烯生活應(yīng)用新品已應(yīng)用在座墊、腰帶等領(lǐng)域，這恒溫產(chǎn)品可通過智能化終端進(jìn)行控制，將徹底顛覆人們對傳統(tǒng)保暖產(chǎn)品及方式的認(rèn)識。
各國政府競相加強(qiáng)對石墨烯的研發(fā)部署
美國政府先后投入超過近一億美元研制石墨烯材料。2006年以來，美國國家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)連續(xù)資助石墨烯的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究項(xiàng)目。國防部高級研究計(jì)劃署 2008年投入2200萬美元開發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路。2012年IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，計(jì)劃最近幾年投入30億美元研究下一代芯片技術(shù)。
歐盟委員會(huì)將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，于2013年起在10年內(nèi)提供10億歐元資助，該項(xiàng)目吸納了歐盟15個(gè)成員國的100多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其中包括4名諾貝爾獎(jiǎng)得主。
作為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者所在國，英國政府2011年宣布投入5000萬英鎊支持石墨烯研究，2013年英國政府聯(lián)合歐洲研究與發(fā)展基金會(huì)共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立國家石墨烯研究院，2014年聯(lián)合馬斯達(dá)爾公司追加投資6000萬英鎊成立曼徹斯特大學(xué)石墨烯工程創(chuàng)新中心。
德國于2010年啟動(dòng)了石墨烯優(yōu)先研究計(jì)劃，包括38個(gè)研究項(xiàng)目，前3年預(yù)算經(jīng)費(fèi)為1060萬歐元。2012年10月，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測器。
日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省從2011年開始投入9億日元，重點(diǎn)支持碳納米管和石墨烯的合成技術(shù)。
韓國通商資源部從2013年開始，在6年內(nèi)投入4230萬美元，將六大集團(tuán)(含45家企業(yè)、研究機(jī)構(gòu))列為石墨烯產(chǎn)品的開發(fā)先鋒，協(xié)助這些企業(yè)將石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)商業(yè)化。
我國科技部已從863計(jì)劃、973計(jì)劃、科技重大專項(xiàng)等途徑安排了石墨烯研究項(xiàng)目。如“十一五”期間的863項(xiàng)目“石墨烯的控制制備及其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用”、“基于石墨烯電極的PbSe/CdSe量子點(diǎn)太陽電池”;“十二五”973計(jì)劃圍繞“石墨烯材料的宏量可控制備及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究”、“石墨烯基電路制造設(shè)備、工藝和材料創(chuàng)新”等方向部署了一批重大項(xiàng)目，取得了一批創(chuàng)新成果，國際影響力逐步提升。
自然科學(xué)基金委已陸續(xù)撥款超過3億元資助石墨烯相關(guān)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，將“介電襯底上高質(zhì)量大面積石墨烯信息器件的構(gòu)筑與特性研究”項(xiàng)目等列入“十二五”期間第三批19個(gè)重大項(xiàng)目。2014年和2015年與石墨烯相關(guān)的資助項(xiàng)目分別達(dá)到385項(xiàng)和396項(xiàng)。
2012年，工信部發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》有關(guān)前沿新材料就包含石墨烯?！笆濉币?guī)劃將再度支持石墨烯，包括：出臺(tái)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見;建立石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新中心;成立產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟。
各地方政府也設(shè)立了石墨烯產(chǎn)業(yè)化資金。如寧波市制定了《寧波市重大科技專項(xiàng)“石墨烯”產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃》，設(shè)立了“石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)”專項(xiàng)資金，每年安排3000萬元，三年共9000萬元，用于支持“石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)”。
石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系已然成型
隨著石墨烯的下游應(yīng)用需求逐步開展，更多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)正參與到石墨烯的研制中。我國的主要企業(yè)和機(jī)構(gòu)包括：江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司、上海南江集團(tuán)、中科院寧波材料所、中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院、重慶墨?？萍加邢薰尽幉骺萍加邢薰?、廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司、泰州巨納新能源有限公司、唐山建華集團(tuán)、天津普蘭納米科技有限公司、南京先豐納米材料科技有限公司、鹽城納新天地新材料科技有限公司等。相關(guān)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和地方政府圍繞石墨烯材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，通過設(shè)立研究院、科技園、創(chuàng)新平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地等模式，建立了多層次的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系。
目前，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正在組織成員編制國際石墨烯標(biāo)準(zhǔn)，依托聯(lián)盟建立項(xiàng)目融資、孵化、并購等于一體的石墨烯產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系。聯(lián)盟已經(jīng)與東旭光電等上市公司合作建立10億元規(guī)模的相關(guān)基金。
隨著越來越多的材料研究團(tuán)隊(duì)投身于石墨烯材料研制中，半導(dǎo)體材料、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示等領(lǐng)域正在發(fā)生革命性的技術(shù)進(jìn)步并向產(chǎn)業(yè)化階段快速進(jìn)發(fā)?？梢灶A(yù)見，任何一個(gè)領(lǐng)域的量產(chǎn)都將引爆下一個(gè)萬億級產(chǎn)業(yè)。
