石墨烯产业化坎坷曲折：摸着石头过河

（原标题：石墨烯产业化：摸着石头过河）

钱童心

走进嘉兴中易碳素7000平方米的工厂，整齐排列着几十台烧结高导热石墨膜的高温炉和低温炉。这些炉子生产的是用于制作手机等电子产品散热膜的原材料。

石墨烯是人类发明的第一种单原子的二维碳膜材料。只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，为它带来了全新的电学属性。它的导电性强、可弯折、机械强度好，看起来颇有未来神奇材料的风范。

2012年，因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁・诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）和他的同事在《自然》杂志上发表文章，讨论石墨烯的未来。他认为作为一种材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。虽然将来它也许能发挥重大作用，但是在克服几个重大困难之前，这一场景还不会到来。

更重要的是，考虑到产业更新的巨大成本，石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备――它的真正前景，或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合。

导热性：手机上的应用

这究竟是一种怎样的材料？

石墨烯在可见光下透明，但不透气，这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料。如果再加上超级电容、信息存储器件、高性能复合材料，到催化剂载体、药物输送等，那简直就是可以改变世界的发明。

在生产车间里，15条人工合成石墨生产线月产能可达6万平方米。这些烧结完毕的原材料进行压延、背胶、覆膜、模切成型加工后，最终被制成一块块手机盖大小的薄膜，用来贴在手机屏幕、屏蔽罩、中框、后盖、电池上，实现散热功能。

在2011年创立这家致力于特种功能材料研发的企业之前，中易碳素创始人CEO李平在中国电信上海研究院工作。在高导热石墨膜的应用领域，中易碳素从大尺寸石墨膜、连续卷材、多层复合石墨膜等方面进行研究创新。

针对最新的石墨烯概念，李平表示，中易碳素一直在持续跟踪和投入研发，行业首创的石墨烯量产化产品石墨烯散热膜即将作为高导热石墨膜的升级换代产品正式推向市场，记者在现场看到，石墨烯散热膜最薄厚度可以做到5微米，远远突破了高导热石墨膜25微米的常规厚度，同时，石墨烯散热膜具有更加强大的导热性能。目前，石墨烯散热膜已经实现了原材料制备、表面化学修饰、分散、成膜、后道模切加工等全生产流程的打通。

不过随着智能手机行业的饱和，整个行业都面临订单的下滑。李平表示：“今年上半年情况特别糟糕，很多客户订单都削减了80%。但是下半年开始好转，有望与去年持平。明年有了新产品就好多了。在这个行业，只有不断保持创新，研发出新品，才能够不让自己被市场淘汰。”

生物相容：检测试剂与植入骨骼

李平对记者表示，公司也在和中科院、同济大学、华东理工大学等院校和研究机构合作，希望开拓石墨烯未来更多的应用领域。“生物医疗是我们非常关注的领域，尤其是石墨烯在生物传感及检测领域的应用，石墨烯具有非常强的荧光猝灭效应，可以使传统的生物检测方法灵敏度提高2到3个数量级。目前最主要的挑战是安全性评估，尤其是石墨烯这种纳米材料输入人体后，可能会与蛋白质等发生反应，影响新陈代谢，或者导致细胞凋亡，这些都还需要大量的工作。”

李平所说的产品，是用石墨烯的生物相容性来生产检测试剂。他说：“化学修饰是关键。由于氧化石墨烯富含羟基、羧基、环氧各种活性含氧基团，有很好的生物相容性，可以通过量子点表面特异性化学修饰，通过纳米自组装技术设计特别的DNA或核酸探针，针对某些蛋白质产生电化学反应或者荧光能量共振，从而快速诊断。就像抗体和抗原、生物素和亲和素、DNA的碱基配对，都是特异性很强的。”

这一想法，和此前莱斯大学（RiceUniversity）物理学家Ching-HwaKiang的想法相一致。Kiang和他的朋友JamesTour通过将碳纳米管解压的方式制成石墨烯纳米带（GNRs）。GNRs是一种长度超过宽度几千倍的条状材料。这种材料的形状，造成了其类似于蛋白质和DNA的性质。这就意味着，可以通过这种材料观察蛋白质的折叠状态。研究人员发现，GNRs像DNA和蛋白质一样，在溶液中可以自发形成皱纹和循环，也可以形成螺旋体、皱纹或环绕。

这种材料未来很可能会被官能化修饰，用来和DNA、蛋白质，甚至是细胞结合使用。有了这样的材料，未来生物分子检测和分子医学都将成为可能。同时也可能以用于DNA测序。这种材料可能会多方面地改变生物医学的其他领域。

近期，莱斯大学的科学家又在尝试焊接纳米薄片以形成坚韧的多孔材料。研究人员通过实验发现，聚焦的离子束显微镜图像显示出一块焊接在一起的3D石墨烯层。该材料符合骨植入标准所必需的生物相容性和材料性能。

莱斯大学材料实验室的科学家PulickelAjayan和同事在美国得克萨斯、巴西和印度等地使用放电等离子体烧结焊接石墨烯氧化物的薄片，其机械性能与生物相容性能和钛相媲美，成为一个标准的骨替代材料的多孔固体。

这项发现发表在《先进材料》论文里。研究人员相信他们的技术将能够创造出高度复杂的石墨形状，而且只需要几分钟，他们认为这种工艺会比??特种金属加工更容易创造出特殊材料。

“我们开始思考骨植入，因为石墨烯是最有趣的材料之一，它能创造出许多可能性，因为它具有一般的生物相容性。”莱斯大学博士后研究助理ChandraSekharTiwary对《第一财经日报》记者表示。Tiwary也是论文的共同第一作者。另一名第一作者DibyenduChakravarty来自印度海得拉巴粉末冶金新材料研究中心。Tiwary说：“四件事情很重要：机械性能、密度、孔隙率和生物相容性。”

新型的3D打印材料

研究人员通过改变纳米级的焊缝上的电压来控制材料的密度。虽然实验在室温下进行，研究人员还把烧结温度提高到200至400摄氏度以制成各种密度的石墨烯的固体。Tiwary表示：“实验证明在300℃局部温度能够得到最好的样品。”

在美国明尼苏达州高科技纳米制造公司海思创（Hysitron）同事的帮助下，研究人员通过与一个扫描电子显微镜连接反复测试二至五层接合石墨烯的承载能力，并发现它们在70微牛（micronewtons）的压力下仍然很稳定。此外，他们还在得克萨斯大学MD安德森癌症中心研究人员的帮助下，成功地在该石墨烯材料上培养出细胞，显示了其生物相容性。令人惊喜的是，研究人员还发现了烧结过程具有去氧化功能，能够使得氧化石墨烯薄片变成纯双层石墨，这使得它们比单层石墨或石墨烯氧化物具有更加稳定的能力。

Ajayan表示，这个实验证明了如何使用常规的技术来制成非常规的材料。但是一个重要的前提是，二维材料能够量产制成密度和强度都合适的3D材料。“二维材料的好处是它能够在很大的表面积上实现连接，你只要去克服一个小小的活化能，增加焊接强度。”Ajayan说，“纳米积木之间的工程结构和强大的接口是实现这些目标的最大的挑战，但在这种情况下，放电等离子烧结似乎是有效的加入石墨烯片并制作成3D石墨材料的方法。”

Tiwary还表示，放电等离子烧结在工业上一般与陶瓷一起被用来制造复杂的零件。“该技术采用高脉冲电流把焊片瞬间连接起来。你只需要高电压，不需要高压或者高温。”他说，他们制作的材料近50％是多孔的，密度只有普通石墨的一半，只有金属钛的四分之一。但它有足够的抗压强度――40兆帕，这样能符合骨植入?的要求――骨骼中的扭力可以使得它在水中也不会溶解。

此前有传闻称诺基亚未来新手机将会使用石墨烯感光元件，传感器将由台湾富士康生产。新手机将会是诺基亚和富士康联手的第一款产品。对此，新加坡南洋理工大学的研究人员表示：“石墨烯感光元件制成的摄像头对光线的敏感程度比普通的CMOS要强1000倍，但同时价格也要高5倍以上。”不过该研究人员同时表示，诺基亚着眼于提高感光元件在强光和弱光的成像品质，选用全新的感光元件。如果成功，将会给业内造成巨大的冲击。

不过随着技术的成熟，新材料的成本也将大幅降低，石墨烯3D打印材料就是一个很好的证明。就在上个月，知名石墨烯企业、伦敦上市公司HaydaleGrapheneIndustries（HGI）全资子公司HaydaleCompositeSolutions（HCS）宣布将与热塑性3D打印线材生产商Filamentprint公司及Fullerex公司共同合作，推广和销售石墨烯增强聚乳酸（PLA）线材应用于3D打印。据了解，这款全新的3D打印线材将会在本月举办的TCT增材制造展会上正式露面。

目前这种3D打印材料已经在几家大型3D打印公司进行了使用并取得了良好的反响。HCS公司董事总经理GerryBoyce发表声明称：“我们非常兴奋能够为3D打印应用开发出石墨烯增强的热塑性材料。这些新材料拥有诸多优点，包括能够使零部件更硬、更强、更快！一直以来，打印速度就是阻碍3D打印技术得以大规模应用的障碍。一想到未来能够直接根据CAD制造出结构性部件的前景就让我们无比激动。”

除了推出其第一款商用石墨烯增强PLA线材之外，该公司也正在研究包括ABS、尼龙和PP（聚丙烯）材料在内的石墨烯增强3D打印线材。此外，这两家公司也可以根据客户需求开发出定制的石墨烯增强热塑性线材，以满足特定的产品要求。

诺贝尔奖物理学奖得主、英国曼彻斯特大学教授康斯坦丁-诺沃肖洛夫曾在今年的MWC移动通信大会的石墨烯专场上指出：“石墨烯和其他的二维材料拥有独特的性能，它们可以为可弯曲和透明的电子设备提供基本的形态。最早的应用之一是在印刷型电子产品中的二维材料应用，接下来将在移动的印刷型电子设备中有所应用。”

不过，石墨烯的应用在整个行业都还没有一个清晰的途径。“我们接触过很多高等院校的教授，他们也写过一些比较有意思的论文，但问题是他们不了解产业和市场，从研究到产品是一个极其复杂的过程，石墨烯一定要变成一种电子元器件才有它的实际应用价值。在实验室里成功的案例，未必拿到生产线上就可行。”李平对记者表示，“我们还是要依靠自己的研究人员进行研发，结合整个产业的发展和需求，但是刚开始产品成本是个问题。”