石墨烯——雄霸未来市场的材料

　　2004年一个周五的傍晚，曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦汀·诺沃肖洛夫，在做一个有趣的实验，这个实验使他们获得了极高的声誉。

　　以前，海姆曾经在实验磁场中让老鼠飘浮起来，因而获得了一个微不足道的奖励。这次，两位教授像玩游戏一样拿着透明胶带，把它们黏贴在普通的石墨上，然后又小心翼翼地把胶带连同薄薄的一层石墨揭下来。

　　这两位俄罗斯出生的物理学家所做的只是一件非常简单的事情。这件事很多人过去都做过，但是却失败了。然而就是这样一件看似简单的事情，却能够在极大程度上改变未来。

　　就是这样一层薄薄的石墨，一旦分离出来，就会发现它具有一系列革命性的特性：导电速度超过硅的100倍；强度超过钢的200倍……整个科技界对海姆和诺沃肖洛夫做出的贡献极为赞赏，并授予他们2010年度诺贝尔物理学奖。诸如三星、IBM和英特尔之类的投资者和商业公司，开始意识到石墨烯的应用大大有利可图。

　　今后20年的创新远景

　　当然，此类的技术突破以前也曾出现过，但在走出实验室，在生产实践中发挥潜能以前，那些技术都渐渐消失了。

　　就如上世纪90年代，碳纳米管也曾火爆一时，但在科学家和风险投资者中同样都没有红火起来。问题在于，石墨烯是会像某些人想的那样，成为材料科学的一次大飞跃，还是只是像碳纳米管一样，仅仅是一种科学规划，缺乏有生命力的商业实用价值？

　　“我们已经看到，碳纳米管之类的纳米材料，有着很好的性能，却不能进入市场，为投资者带来回报。”勒克斯研究所资深评论家、《石墨烯能够成就下一个硅谷吗……或者只是另一个碳纳米管？》一文的第一作者Ross Kozarsky说：“碳纳米管的教训是它存在着大量炒作，大公司和小创业公司投入了大量资金，却毫无效益。”

　　2010年以来，石墨烯平步青云，被称为材料行业中有支柱作用的材料。但是正如人们每天都在做的事情一样，它通常要用好多年，有时候甚至是几十年的时间，才能进入生产领域。

　　最近访问曼彻斯特大学时，我看到这所大学仍然是石墨烯的“革命”基地，物理学家和技术人员正在努力使自家的创新技术走出实验室，步入生产市场。

　　要做到这一点，他们需要开发涉及石墨烯的“杀手级软件”，“软件”要比现有技术具有更明显的优势——不需要花太多的制造费用。

　　最近发表在《科学》杂志上的一篇科学研究文章展望了石墨烯的前景。

　　文章说，研究人员为石墨烯制定了路线图，展望了它在今后20年的创新远景。他们认为，有弹性的消费市场前景将在3年内出现。真正广泛地应用于电子产品，比如超高速、低能耗信息处理机和记忆芯片，形成成熟的商业市场，则需要10年时间。现在的触摸屏使用的是铟锡氧化物，研究人员认为石墨烯灵活的机械性能和稳定的化学性，在这方面具有很大优势。

　　现在，石墨烯应用于高科技电子产品正处于关键时期。科学家用尽了各种招数，使事情按照摩尔定律来进行。

　　因为电子出现不稳定性，就像滴在灼热平底锅上的小水滴，硅线路越小，毫微紊乱就会出现得越多。科学家认为，石墨烯量子的机械性有可能提供一种方法，使电子产品向着超小、高速，超低能耗等多样性数码电子方向发展。这样就能集石墨烯的三种优点于一身，制造出盐素体晶粒医用传感器，在流动血液中检测出癌变细胞。

　　当下石墨烯的市场主要是在研究上

　　如上所说，石墨烯大量专利项目已经在全世界发布，所以不仅仅只是曼彻斯特大学的研究人员在致力于石墨烯的研究与应用。据英国剑桥知识产权公司(CambridgeIP)透露，三星公司率先行动，一揽子购买下407项石墨烯专利和应用程序，IBM 公司购买了134项。

　　三星公司曾与索尼公司一起，投入大量资金，研究使用石墨烯制造高灵敏度电子触摸屏。但是，尽管公司已经推出了以石墨烯为材料的柔性显示器的宣传视频，可至今却没有正式产品展出，而索尼公司连宣传视频也还没有。

　　作为芯片产业的领军者，英特尔公司也认为石墨烯是一种很有前景的材料，但是还要做进一步的研究。当下他们正在和大学进行合作研究。英特尔公司认为，至少在5年之内，石墨烯还不具有实际应用价值。

　　然而，一批石墨烯产业创业公司却大胆宣称，廉价、优质的石墨烯产品已经开始投放市场，其中包括石墨烯技术公司、Grafoid公司、国家纳米材料公司、Xolve公司和Haydale公司等。

　　Kozarsky说，要评价他们做得怎样，还为时尚早。去年，勒克斯研究公司瞄准了石墨烯市场，但营业额少得可怜，只有900万美元，到2020年预计也不过只能达到1.26美元。

　　石墨烯产品大多是粗制滥造的，更多是用来做研究之用的石墨烯。当下石墨烯的市场主要是在研究上，根据曼彻斯特大学的估计，全世界的公司和学术研究中心2012年花在研究上的费用大约是10亿美元。

　　石墨烯优势显著

　　用石墨烯制造仪器，有一大优势。它是一个薄片，不会像碳纳米管那样自己来回滚动。把薄片随时弯曲起来并不那么容易，但是起码有理由认为，它不会像纳米管那样，因缺少原料而阻碍生产。

　　“形成石墨烯规模生产，还有很多事情要做。”曼彻斯特大学国家石墨烯研究所项目经理Ivan Buckley说：“但是，石墨烯最大的挑战是……如何把石墨烯超导、高强度和光学的优异性能作为整体驾驭起来，只有这样才能研制出超常产品。”

　　一旦科学家们学会了在产品中驾驭石墨烯无可匹敌的性能，他所说的超常应用将有可能在今后10年内出现。

　　“在很多方面，石墨烯都是理想的导电材料——它有着高导电性能和重量极轻的特点。”曼彻斯特大学教授、化学研究者Rob Dryfe说：“而这些，正是任何大的能量都能塞进一个小薄片中的关键所在——石墨烯就可以自主排除其中的障碍。”

　　IBM公司的Avouris认为，石墨烯的兆赫级导电能力，可以解决医疗领域的很多问题，比如传感、医学造像和短距离传输等。而公司也正在致力于研究高频石墨烯晶体管和兆赫级电子仪器。

　　兆赫频率处于红外线频率和微波频率之间，所以它具有应用于成像和传感的潜能。Avouris说：“显而易见，无线频率是石墨烯应用的领域之一，在这一领域它可以发挥重大作用。”

　　几年前，在国会听证会上，Darpa对决策者说，因为石墨烯有着军事革命的应用潜力，所以应该优先发展。

　　在军事装备中，破坏力最强的属高频雷达，其威力是现在雷达的10到15倍，它可以探测到敌方的设施，从而提供对抗防御措施。军事代理商对石墨烯也极感兴趣，它在制造用于军人的轻型耐久电池方面有着极大应用潜力。

　　最紧迫需求是柔性显示器的应用

　　所有这些听起来是不是让人心潮澎湃，石墨烯发展前景非常壮观。但是有那么多选择，哪一个市场才是你投资的首选？

　　一个参考意见是，看一看材料发展史，如尼龙发展的历史，可能对你有所帮助。尼龙从研发开始，仅仅用了几年的时间就形成了规模市场，那是因为它有直接的市场方向：女人的针织品。

　　圣约翰大学助理教授、《新材料革命：全球化时代技术和经济的发展》的作者Sanford Moskowitz说：“有应用前景的材料是以最短的时间和最便宜的价格投入市场的材料，这样的材料往往最容易取得成功。”

　　Moskowitz指出，相比之下奥纶和涤纶都是上世纪50年代研发出来的，但是它们用了好多年才被工业采用，因为它们有太繁多的应用项目。

　　根据诺沃肖洛夫的路线图，市场对石墨烯的最紧迫的需求是在柔性显示器的应用上。你可以想象得到，一个到处都是触摸屏的世界，人们都在专注地等待着尽快出现一个显示器的大改进。

　　是的，大规模的材料生产需要时间，但是起码不会像碳纳米管那样，中途受阻。石墨烯的商业化时代就要到来，在曼彻斯特大学之类的地方，越来越感觉到石墨烯会成为推动英国走在21世纪科技尖端的领军者。

　　曼彻斯特的石墨烯粉丝们，喜欢引用诺贝尔奖委员会2010年对这一跨世纪制造业创举的评语：“石墨，是地球上所有已知的生命的基础，现在它又一次使我们感到吃惊。”■

　　（文章选自《连线》杂志 译者：吴士异）

　　By 布鲁诺·李