一次待兑现的技术革命 全球石墨烯旗舰项目前瞻

石墨烯令人眼花缭乱的优势让人们期待一场技术革命，但科学家必须在花费10亿欧元的同时突破一些瓶颈。

石墨烯使得制造灵活透明的智能手机屏幕成为可能。

资料来源:北京HEE宏

今年1月，欧盟委员会批准了石墨烯旗舰项目。此前，石墨烯研究已经是世界上最大的材料研究项目，涉及来自欧洲17个国家的数百名科学家。在旗舰项目于11月25日提交进一步的项目提案后，石墨烯的研究肯定会进一步扩大。

石墨烯是人类生产的最薄的物质:一片薄薄的碳原子看起来像六边形的蜂窝，像钻石一样坚硬，比铁强上百倍。但同时，它具有极高的灵活性甚至可扩展性。石墨烯被用作在室内环境中以高于任何已知材料的速度传输电流的介质。此外，它还可以将任何波长的光转换成稳定的光流。自从10年前石墨烯被首次分离以来，研究人员已经为它的潜在用途提出了各种想法——从更快的计算机芯片到更灵活的触摸屏，再到高效的太阳能电池和海水淡化膜。

然而，要充分掌握石墨烯的性质并将其应用到实际应用中，研究者仍然面临着巨大的挑战。大尺寸石墨烯的制造过程非常复杂且昂贵，经常导致碳原子破裂或撕裂，这无法与实验室中完美比例的石墨烯相比。即使质量符合标准，也没有先进的工业手段来制造如此薄的石墨烯，也没有技术将石墨烯与其他物质结合来生产有用的产品。此外，它还有一个最大的弱点:尽管石墨烯中的电子具有高度的移动性，但它的其他特性决定了石墨烯根本不适合转换活动，而这正是数字电子技术的核心要求。

因此，业界提出对石墨烯进行技术创新。这一想法最早是在2011年提出的，旨在推动一个由许多国家共同推动的“石墨烯旗舰技术”项目。该项目为期10年，总投资10亿欧元(约合13.5亿美元)。欧洲国家正在共同努力将石墨烯从实验室引入工业领域。此外，为了弥补石墨烯的缺陷，旗舰项目还将研究12种以上的原子超薄材料用于石墨烯。

剑桥大学石墨烯中心负责人、旗舰项目执行委员会主席安德里亚·法拉利(Andrea Ferrari)表示:“新注入的资金和能量刺激了整个石墨烯研究界。以前从未有过如此大规模的研究活动。”

太多人犯错了？

然而，有人质疑这个项目是否太大，这种跨学术和产业的合作不可避免地受到官僚主义的束缚。这是促进技术创新最有效的方式吗？

纽约约克城美国国际商业机器公司托马斯·沃森研究中心的石墨烯和纳米技术专家法登·阿沃里斯说:“这种方法并不能真正促进产品创新。”此外，参与该项目的一些研究人员担心，在未来几年，政治力量将压倒本应得到最高优先考虑的科学研究活动，并控制已经分散的资金来源。

然而，由于对旗舰项目的未来充满信心，包括诺基亚和空客在内的*和行业合作伙伴将共同提供该项目所需资金的一半，而欧盟委员会将提供另一半。“我希望基于石墨烯或其他薄层材料的科学技术将在10年内成为主流，”旗舰项目负责人贾里·基纳雷特(Jari Kinaret)表示。就像聚合物、半导体技术和陶瓷在我们的生活中被广泛使用一样，石墨烯有一天也会一样。"

旗舰项目细分为16个研究项目，其中大部分旨在提高石墨烯在现实生活中的应用，如高频电子、传感器和储能。在项目启动阶段投资5400万欧元后，项目进一步研究提案的总价值为900万欧元，第一批技术原型预计将于2016年底开发完成。

劳工行动

旗舰项目的进展离不开其他行业合作伙伴的合作，比如位于西班牙圣塞巴斯蒂安的石墨烯公司，该公司目前每年生产15平方米的石墨烯。此外，旗舰项目的成功开发还得益于9月份与蓝石全球技术公司签署的一项协议，蓝石全球技术公司总部位于纽约瓦平久瀑布，此前没有石墨烯生产经验。该公司将在曼彻斯特开设一个工作室，并为石墨烯的顺利生产提前建造配套设施，这是英国石墨烯生产领域的一项重大举措。今年，该公司通过使用氢泡沫成功地将大型石墨烯片与铜片分离，而不会造成腐蚀，提高了石墨烯的产量并降低了生产成本。

然而，诺基亚传感器和材料研究主管、旗舰项目咨询委员会成员塔巴尼·里哈宁(Tapani Ryhanen)表示:“尽管青石公司做出了努力，石墨烯的生产过程仍然非常复杂，很难将石墨烯添加到基底上。”旗舰项目旨在改进化学气相沉积工艺，并改进替代生产方法。

此外，问题在于如何将新鲜的石墨烯从催化箔转移到新的基底上。例如，当石墨烯被放置在硅片上时，硅片会起皱。一种解决方案是将石墨烯直接制作在衬底上，或者将其放置在其他更坚固、更具保护性的单层上，例如氮化硼。今年早些时候，这种方法已经进行了小规模试验。

奥斯汀德克萨斯大学的罗德·鲁夫领导了改进化学气相沉积制造方法的努力。他认为降低石墨烯生产成本并使其成为主流材料的最佳途径在于如何大规模工业化生产高质量的单层。旗舰项目将研究化学处理方法、超声波振动等技术手段，但要找到实用的生产方法还有很长的路要走。鲁夫说:“我们需要一个彻底的突破。”

尽管面临许多制造挑战，一些人指出石墨烯已经影响了市场。例如，与多个单层结合的多层石墨烯可用于增强网球拍。此外，多层石墨烯可以形成导电回路，由马里兰州杰赛普的沃尔贝克材料公司应用于防盗包装。

致命缺陷

然而，在数字电子技术领域，石墨烯最突出的优势已经成为其最致命的劣势。原则上，石墨烯内部流动性极高的电子使其能够以极高的速度处理数据。一些石墨烯器件的数据处理速度已经达到400千兆赫，是硅器件的几倍。然而，由于石墨烯电子之间缺乏带隙，一旦数据传输开始就很难将其关闭，这严重阻碍了逻辑操作，因为逻辑操作的所有问题都是开和关的。如果将其他材料掺杂到石墨烯中，或者将石墨烯切割成窄条，会形成窄带隙，但这会降低电子的流动速度。因此，研究人员试图调和石墨烯的电学性质，例如将石墨烯与其他单层材料如氮化硼结合，或者用二硫化钼和二硒化钨制造晶体管。

然而，伦敦科学技术公司的蒂姆·哈珀认为石墨烯在取代硅电子产品之前还有很长的路要走。哈珀说:“除非有充分的理由，否则没有人会放弃硅。”最近，石墨烯晶体管最大的卖点可能在于它们在不同电压下工作的能力，而不是它们的开关能力。石墨烯可以应用于检测环境污染或血氧水平的传感器，以及手机内部的信号发射器和接收器。

美国眼睛健康公司的丹尼尔·诺伊梅尔正在领导对高频电子的研究，这是旗舰项目的子项目之一。他的目标是设计一个技术原型，在项目启动30个月后证明石墨烯的潜力。尼尔说:“我们目前有很高的期望。”

此外，正如一些研究人员担心的那样，旗舰项目石墨烯项目——欧洲*别的科学研究项目——需要谨慎导航，以避免在危机频发的政治水域触礁。(段鑫)

中国科学新闻(2013-127，第三版国际)