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新材料產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是裝備和制造的基石，是核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要支撐。我省在高端新材料領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，推動(dòng)產(chǎn)品向精細(xì)化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、高附加值化發(fā)展，帶動(dòng)全省新材料高端產(chǎn)業(yè)及其配套下游、精深加工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。
名副其實(shí)的“新材料之王”
“這是一個(gè)柔性的鍵盤，很神奇。把它卷起來(lái)，出差時(shí)隨身帶上。”中國(guó)科學(xué)院山西煤化所研究員陳成猛展示的這款鍵盤，就是柔軟的硅膠外表包著一張紙，這張紙正是柔性鍵盤重要的功能部件。
“紙上黑色的線和點(diǎn)不是畫上去的，而是我們采用石墨烯調(diào)制的電子漿料印刷的線路。柔軟的線路板可使鍵盤折疊，方便攜帶?！标惓擅拖蛴浾呓榻B說(shuō)，若將石墨烯應(yīng)用于觸摸屏，手機(jī)和平板電腦便可折疊；若加進(jìn)塑料，塑料變得又強(qiáng)又韌，還可以讓原本不導(dǎo)電、不導(dǎo)熱的塑料變得導(dǎo)電、導(dǎo)熱；若加在鋰離子電池和超級(jí)電容器里面，就能大幅提升儲(chǔ)能器件的能量密度和功率密度，延長(zhǎng)它的循環(huán)壽命……中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院院長(zhǎng)李孟委團(tuán)隊(duì)向記者展示的石墨烯壓力傳感器、溫度傳感器，在穿戴電子器件、電子皮膚、柔性顯示器等領(lǐng)域大顯身手。
輕得像空氣，卻又硬得像鋼鐵，它就是被譽(yù)為“黑金”的石墨烯。和熟知的石墨棒、鉛筆芯一樣，石墨烯也是由碳原子組成的。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)膠帶從石墨上成功分離出一層晶體物質(zhì)石墨烯，在科學(xué)界引起轟動(dòng)，二人也因石墨烯方面的開創(chuàng)性研究于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
作為高端碳家族的新材料，它是電子產(chǎn)品材料絕佳選擇，更令人感興趣的是它那許多“極端”的物理性質(zhì)，造就它是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，可用于航空航天、軍事高精尖領(lǐng)域，它是名副其實(shí)的“新材料之王”。在長(zhǎng)期從事石墨烯研發(fā)的陳成猛的眼里，石墨烯的模量達(dá)到了1TPa，是鋼鐵的200倍。如果保持石墨烯強(qiáng)度制成一張薄膜紙，想要刺破它，好比推開一頭大象。“如果力、熱、光、電、磁都能讓它有反應(yīng)，那么這樣一臺(tái)石墨烯功能器件會(huì)有無(wú)敵超強(qiáng)表現(xiàn)力?！崩蠲衔难芯空n題更偏重石墨烯的功能應(yīng)用。
保持中國(guó)在石墨烯領(lǐng)域的領(lǐng)先地位
在中科院山西煤化所石墨烯中試平臺(tái)，生產(chǎn)線上石墨烯輕薄飄逸。石墨經(jīng)過(guò)氧化、提純、干燥和剝離4個(gè)環(huán)節(jié)制備而成石墨烯，250克石墨烯原料市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)12500元。石墨烯的生產(chǎn)工藝被中科院山西煤化所博士孔慶強(qiáng)解釋為：“如果把石墨看成一本書，那么石墨烯其實(shí)就是其中的一頁(yè)，那么我們首先要做的就是把這本書中的每一頁(yè)相互撐開，然后瞬間把每頁(yè)撕下來(lái)，變成一頁(yè)一頁(yè)的?！蹦壳埃锌圃荷轿髅夯呀?jīng)攻克了石墨烯批量制備的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可控、低成本生產(chǎn)。
在中試平臺(tái)的超凈間，研究人員正在對(duì)生產(chǎn)石墨烯相關(guān)衍生產(chǎn)品的器件進(jìn)行組裝、測(cè)試和研究。“這一款超級(jí)電容器就是科研成果之一。別看它個(gè)頭不大，卻動(dòng)力十足。它充滿電只需要10秒，而且充放電達(dá)百萬(wàn)次以上?！泵β抵械闹锌圃荷轿髅夯┦客跽癖鴮?duì)記者說(shuō)，“超級(jí)電容器由于具有非常快的充放電速度、超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，而且它的耐候性非常強(qiáng)。零下四十?dāng)z氏度，它的放電容量跟常溫放電容量基本相當(dāng)?！?/p>
山西的石墨烯生產(chǎn)是不是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化？陳成猛說(shuō)：“目前，石墨烯實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的批量化生產(chǎn)，正處于石墨烯應(yīng)用的培育期，同時(shí)也是投資的窗口期。我們正逐步聚焦、凝練了一些石墨烯真正可能應(yīng)用的方向，比如儲(chǔ)能，導(dǎo)電油墨、導(dǎo)熱材料，電磁屏蔽，高性能的復(fù)合材料，防腐涂料，這些領(lǐng)域山西都有涉及。隨著石墨烯下游應(yīng)用的普及或者拓展，它的需求量會(huì)提升，這時(shí)候我們?cè)購(gòu)闹性囃a(chǎn)業(yè)化走?！?/p>
放眼全球，目前，國(guó)際上很多國(guó)家紛紛從戰(zhàn)略層面對(duì)石墨烯進(jìn)行了部署，高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)行系統(tǒng)布局，投入大量資金對(duì)石墨烯行業(yè)進(jìn)行支持，以期在新一輪的競(jìng)爭(zhēng)中搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)。我國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國(guó)家之一。2017年國(guó)家發(fā)改委公布《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》，將石墨烯等新材料納入其中。石墨烯成為科學(xué)研究界的“新寵兒”，創(chuàng)造了許多不可思議。
中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范認(rèn)為，我國(guó)石墨烯基礎(chǔ)研究隊(duì)伍和產(chǎn)業(yè)化隊(duì)伍在國(guó)際上應(yīng)該說(shuō)也是規(guī)模最大的，三分之二的專利來(lái)自中國(guó)，從2011年開始，石墨烯研發(fā)處于全球領(lǐng)先。當(dāng)前，山西煤化所正在牽頭制定的IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有5項(xiàng)，牽頭制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有4項(xiàng)。同時(shí)，還有一系列的聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由煤化所牽頭或者參與制定的各類標(biāo)準(zhǔn)已有20項(xiàng)。由此可見，在全球的石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化方面，山西有一席之地，而且是非常重要的地位。
作為國(guó)際石墨烯標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)導(dǎo)者的國(guó)際電工委員會(huì)納米電工產(chǎn)品與系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)秘書長(zhǎng)、歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)人諾伯特法布里丘斯談到，“截至目前，中國(guó)參與制定的石墨烯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)34%，其次是歐洲和韓國(guó)，分別占29%和21%。我強(qiáng)烈建議中國(guó)繼續(xù)堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)制定工作，這對(duì)于保持中國(guó)在石墨烯市場(chǎng)的領(lǐng)先地位很有必要?！?/p>
立足應(yīng)用，讓石墨烯影響未來(lái)
21世紀(jì)如果要有新的產(chǎn)業(yè)革命的話，就要靠石墨烯來(lái)引領(lǐng)。石墨烯的重要性可以說(shuō)是不言而喻。在這樣的背景下，我國(guó)也搶抓機(jī)遇，在石墨烯高端研發(fā)方面早早進(jìn)行布局，并取得了一定的成績(jī)，山西也在這方面有了一些突破。
在中北大學(xué)納米功能復(fù)合材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，科研人員正在開展石墨烯防腐涂料的應(yīng)用和工程化研究，他們研制的石墨烯聚合物復(fù)合防腐涂料，大幅提高了防腐蝕性能、機(jī)械性能和剝離強(qiáng)度。該校前沿交叉科學(xué)研究院石墨烯應(yīng)用研究中心則將目光聚焦在石墨烯高溫壓力傳感器和高溫溫度傳感器等前沿信息領(lǐng)域研發(fā)方面。
在太原理工大學(xué)，科研人員利用低能電子顯微技術(shù)證實(shí)了氧化石墨烯中的氧原子以冠醚結(jié)構(gòu)存在。并成功探索出了石墨烯量子點(diǎn)在太陽(yáng)能光電器件中的應(yīng)用。
在大同大學(xué)炭材料研究所，科研人員開發(fā)的液相剝離法制備石墨烯工藝，則獨(dú)辟蹊徑將石墨烯用在了農(nóng)作物生產(chǎn)上，可使蔬菜增產(chǎn)30％—200％。
陳成猛認(rèn)為：“石墨烯未來(lái)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和發(fā)展方向，還要從制備角度，通過(guò)我們的技術(shù)手段進(jìn)一步升級(jí)，同時(shí)把它的成本進(jìn)一步降低。另外，從應(yīng)用角度講，我們將努力豐富下游應(yīng)用場(chǎng)景，包括超級(jí)電容器，鋰離子電池、導(dǎo)電油墨、防腐涂料等多元化的應(yīng)用?！崩蠲衔寡裕诎l(fā)現(xiàn)石墨烯的階段，我們可能錯(cuò)過(guò)了，希望在挖掘它的應(yīng)用階段，不再失之交臂。（山西日?qǐng)?bào)記者沈佳 本欄目?jī)?nèi)容源自山西衛(wèi)視“轉(zhuǎn)型進(jìn)行時(shí)”）
