他是誰?他是清華大學材料學院教授,在石墨烯材料領域有近十年的研究,他和團隊合作開發了一種基於(yu) 石墨烯的多功能電子皮膚,通過快速變化的器件顏色準確地探測微小的變形刺激。
精彩觀點:
1、石墨烯在製備上還有瓶頸,還沒有真正穩定、可靠、高質量、高可控的批量製備技術。
2、結構缺陷仍然是目前石墨烯製備中存在的問題,但可以巧妙的利用這一缺陷,開發高靈敏多功能柔性傳(chuan) 感器。
3、國外很多大企業(ye) 關(guan) 注石墨烯,都一定會(hui) 想著先把前期路鋪好,寧可將大量資金投入基礎研發,也不會(hui) 盲目建生產(chan) 線。但中國企業(ye) 總是先將架子搭起來,但就是個(ge) 空架子,都不敢運行,因為(wei) 沒有下遊市場。
4、現在石墨烯的問題,還是沒有找到一個(ge) 真正適合它的應用,石墨烯在電池方麵不會(hui) 是一個(ge) 突破性的,顛覆性的應用。
5、石墨烯確實有泡沫,魚龍混雜,但是這個(ge) 現象是一個(ge) 東(dong) 西能走向成熟,zui後能應用起來的一個(ge) 必然存在的現象。
6、今年是是一個(ge) 很關(guan) 鍵的一年,如果真正找不到應用,無論是資本市場還是基礎研發基本都會(hui) 退了。
訪談安排在清華大學逸夫技術科學樓,此時正值學校暑假,但卻是朱宏偉(wei) zui忙碌的時候,唯有這時才能忙些自己感興(xing) 趣的事情。在去往朱宏偉(wei) 教授的辦公室途中,會(hui) 經過2-3個(ge) 貼有“朱宏偉(wei) 實驗室”的房間,門都開著,有一兩(liang) 個(ge) 學生在裏麵忙碌著。
在采訪之前就聽說朱宏偉(wei) 教授觀點非常犀利,對石墨烯研究已經有十餘(yu) 年的時間。果不其然,他會(hui) 顛覆業(ye) 界對“黑金”石墨烯的盲目推崇;他會(hui) 直言,國內(nei) 很多企業(ye) 打著石墨烯的幌子渾水摸魚;他會(hui) 說,所謂的“用石墨烯製作電容裝置幾分種就能完成智能手機充電”太過誇張;他認為(wei) ,國內(nei) 石墨烯有泡沫很正常,這是走向成熟的必然存在的現象。
掣肘一:製備
2004年曼徹斯特大學的兩(liang) 位科學家(K. Novoselov和A. Geim)費勁地用膠帶從(cong) 石墨上剝離下來了一點石墨烯,由此獲得了2010年諾貝爾物理獎,並被視作“石墨烯之父”,而石墨烯也走入科研界和產(chan) 業(ye) 界視野,成為(wei) 追捧的對象。
石墨烯被稱為(wei) “黑金”、“新材料*”,甚至被譽為(wei) “*改變21世紀的黑科技”。之所以有這樣的美譽,是因為(wei) 石墨烯是人們(men) 發現的*種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。由於(yu) 碳原子特殊結構的排列導致了石墨烯擁有一些非常神奇的特性:石墨烯不僅(jin) 是世界上zui硬的材料,而且有很強的柔韌性;而且擁有高導熱性和超快的載流子遷移率。
這些特性隨便哪一個(ge) 被應用都將是顛覆當前產(chan) 業(ye) 的技術:比如石墨烯的透明性、導電性和柔性應用在電子器件領域,就可以實現柔性觸控屏,手機可以像腕表一樣折疊起來;石墨烯的抗滲性和導電性可應用於(yu) 防護塗層和阻隔膜;石墨烯的柔性、透明性及對多種物理信號的高靈敏度響應可以製成傳(chuan) 感器,應用在多功能電子皮膚;也可以用石墨烯做電極材料,提升儲(chu) 能器件的性能。
隨便哪一種應用都可以說是顛覆性的革命。華為(wei) 創始人任正非在接受媒體(ti) 采訪時曾表示未來十年到二十年內(nei) 會(hui) 爆發一場技術革命,石墨烯時代將會(hui) 顛覆矽時代,石墨烯是技術革命前沿。但所謂的“石墨烯時代”其實還很遙遠。
“在製備上,我覺得還沒有真正穩定、可靠、高質量、高可控的批量製備技術。雖然國內(nei) 近兩(liang) 年在製備方麵有很多突破。”朱宏偉(wei) 教授表示。
石墨烯的製備方法主要包括:機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法、氣相沉積法等。
“雖然製備技術多種多樣,但如果獲得高晶度、高質量的石墨烯還是有難度。”朱宏偉(wei) 表示,“材料能夠應用起來很大程度上取決(jue) 於(yu) 製備,隻有獲得穩定可靠批量的製備技術,才能夠實現產(chan) 業(ye) 化。其實以前的材料都是這樣的模式,不管是鋼鐵、半導體(ti) 、塑料、高分子,沒有可靠的批量製備技術,基礎研究做的再好也都用不起來。”
掣肘二:應用
雖然在製備上還存在問題,但中國石墨烯產(chan) 業(ye) 卻似乎迎來了“春天”:來自中國經濟信息社發布的《2016-2017中國石墨烯發展年度報告》顯示2016年以來,中國石墨烯企業(ye) 爆發式增長,年新增企業(ye) 超過700家,其中研發類企業(ye) 占比約43%。
不僅(jin) 如此,從(cong) 政府層麵也對石墨烯產(chan) 業(ye) 進行鼓勵支持,各地政府紛紛成立了與(yu) 石墨烯相關(guan) 的產(chan) 業(ye) 園區或者企業(ye) 聯盟或是示範基地。
“我感覺現在中國的石墨烯產(chan) 業(ye) 是走在zui前麵的,不管是政府、企業(ye) 、、資本市場、學術界都給予了很大的關(guan) 注。另外,就是大家都在努力找應用,可以讓其真正走向普通百姓的應用。”朱宏偉(wei) 教授表示。
對於(yu) 中國石墨烯產(chan) 業(ye) 現狀,中科院院士劉忠範在接受澎湃新聞時曾總結道:中國的石墨烯行業(ye) 存在很多不正常現象。股票市場盲目炒作,利用石墨烯名目圈錢;地方政府盲目上馬,圈地建產(chan) 業(ye) 園;還有一批不負責任的石墨烯玩家炒概念。
有媒體(ti) 曾報道如果用石墨烯製作電容裝置,它的充放電速度是鋰電池100倍——1000倍,幾分鍾就能完成智能手機充電。對此,朱宏偉(wei) 教授這個(ge) 在理論和實驗上都不成立。
在朱宏偉(wei) 看來,中國很多企業(ye) 開發的石墨烯應用過於(yu) 粗放了,石墨烯的真正能夠發揮作用的應該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結構特點的場合,或在微納芯片、光電子等核心器件裏。
與(yu) 國外相比,中國石墨烯產(chan) 業(ye) 發展有點“操之過急”。朱宏偉(wei) 表示,國外很多大企業(ye) 關(guan) 注石墨烯,都一定會(hui) 想著先把前期路鋪好,寧可將大量資金投入基礎研發,也不會(hui) 盲目建生產(chan) 線。但中國企業(ye) 總是先將架子搭起來,但就是個(ge) 空架子,都不敢運行,因為(wei) 沒有下遊市場。
“很多企業(ye) 都是免費送石墨烯,但仍然用不起來。”朱宏偉(wei) 表示,“中國石墨烯市場有泡沫,魚龍混雜,但是這個(ge) 現象是一個(ge) 東(dong) 西能走向成熟,zui後能應用起來的一個(ge) 必然存在的現象。今年是是一個(ge) 很關(guan) 鍵的一年,如果找不到真正的應用,無論是資本市場還是基礎研發的熱情都會(hui) 有所消退。”
掣肘變成優(you) 勢:多功能電子皮膚
結構缺陷仍然是目前石墨烯製備中存在的問題,朱宏偉(wei) 教授及其團隊巧妙的利用了這一缺陷,開發了一種基於(yu) 石墨烯柔性傳(chuan) 感器的多功能電子皮膚。
關(guan) 於(yu) 多功能電子皮膚研究團隊很多,材料也多種多樣,有傳(chuan) 統碳材料、金屬材料、半導體(ti) 材料、納米材料等等。但朱宏偉(wei) 教授團隊是較早基於(yu) 石墨烯開發高靈敏多功能柔性傳(chuan) 感器的。
“為(wei) 何是石墨烯,因為(wei) 仿造人的皮膚需要和身體(ti) 能夠很好的貼合。所以這個(ge) 東(dong) 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(chuan) 遞各種信號。石墨烯的特性是這一應用的*材料之選。”朱宏偉(wei) 表示。
正如前文所提到的,現在獲得高晶度、高質量的石墨烯在製備上還存在一定難度。因此,朱宏偉(wei) 在想,是不是可以避開製備技術上的高要求,也許有些應用就是利用這一有缺陷的石墨烯,比如傳(chuan) 感器。
晶化、高質量的石墨烯對變形不敏感,但一旦設計一些缺陷,馬上就會(hui) 靈敏起來,而這正是傳(chuan) 感器需要的,需要對外界信號的變化敏感。
“石墨烯要是一個(ge) 完整的單晶片,當變形的時候,電阻變化不大,也就不靈敏。因此,我們(men) 設計了一種特殊的結構,就像魚鱗一樣。”朱宏偉(wei) 形容,“把石墨烯的每一小片堆起來,在拉伸時片和片之間會(hui) 有滑動,電阻會(hui) 迅速變化。極其微小的變形就會(hui) 使電阻有一個(ge) 非常明顯的變化。”就是利用這樣一種巧妙的仿生結構,進一步了設計基於(yu) 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變,在應變10%以內(nei) ,通過快速變化的器件顏色準確地探測微小的變形刺激。
目前,朱宏偉(wei) 教授想把這個(ge) 產(chan) 品原型進行產(chan) 品化,做成監測人體(ti) 生理狀態的可穿戴設備;另外,通過不同的堆疊結構還設計出了基於(yu) 石墨烯試紙的液體(ti) 分析方法,應用到食品安全方麵,檢測飲料、酒類,進行識別、防偽(wei) 、真假的辨別。