走進(jìn)嘉興中易碳素7000平方米的工廠，整齊排列著幾十臺(tái)燒結(jié)高導(dǎo)熱石墨膜的高溫爐和低溫爐。這些爐子生產(chǎn)的是用于制作手機(jī)等電子產(chǎn)品散熱膜的原材料。
石墨烯是人類發(fā)明的第一種單原子的二維碳膜材料。只有一層原子，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。它的導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好，看起來頗有未來神奇材料的風(fēng)范。
2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)和他的同事在《自然》雜志上發(fā)表文章，討論石墨烯的未來。他認(rèn)為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個(gè)重大困難之前，這一場(chǎng)景還不會(huì)到來。
更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡(jiǎn)單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景，或許在于為它的獨(dú)到特性量身定做的全新應(yīng)用場(chǎng)合。
導(dǎo)熱性：手機(jī)上的應(yīng)用
這究竟是一種怎樣的材料？
石墨烯在可見光下透明，但不透氣，這些特征使得它非常適合作為保護(hù)層和透明電子產(chǎn)品的原料。如果再加上超級(jí)電容、信息存儲(chǔ)器件、高性能復(fù)合材料，到催化劑載體、藥物輸送等，那簡(jiǎn)直就是可以改變世界的發(fā)明。
在生產(chǎn)車間里，15條人工合成石墨生產(chǎn)線月產(chǎn)能可達(dá)6萬平方米。這些燒結(jié)完畢的原材料進(jìn)行壓延、背膠、覆膜、模切成型加工后，最終被制成一塊塊手機(jī)蓋大小的薄膜，用來貼在手機(jī)屏幕、屏蔽罩、中框、后蓋、電池上，實(shí)現(xiàn)散熱功能。
在2011年創(chuàng)立這家致力于特種功能材料研發(fā)的企業(yè)之前，中易碳素創(chuàng)始人CEO李平在中國電信上海研究院工作。在高導(dǎo)熱石墨膜的應(yīng)用領(lǐng)域，中易碳素從大尺寸石墨膜、連續(xù)卷材、多層復(fù)合石墨膜等方面進(jìn)行研究創(chuàng)新。
針對(duì)最新的石墨烯概念，李平表示，中易碳素一直在持續(xù)跟蹤和投入研發(fā)，行業(yè)首創(chuàng)的石墨烯量產(chǎn)化產(chǎn)品石墨烯散熱膜即將作為高導(dǎo)熱石墨膜的升級(jí)換代產(chǎn)品正式推向市場(chǎng)，記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，石墨烯散熱膜最薄厚度可以做到5微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了高導(dǎo)熱石墨膜25微米的常規(guī)厚度，同時(shí)，石墨烯散熱膜具有更加強(qiáng)大的導(dǎo)熱性能。目前，石墨烯散熱膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原材料制備、表面化學(xué)修飾、分散、成膜、后道模切加工等全生產(chǎn)流程的打通。
不過隨著智能手機(jī)行業(yè)的飽和，整個(gè)行業(yè)都面臨訂單的下滑。李平表示：“今年上半年情況特別糟糕，很多客戶訂單都削減了80%。但是下半年開始好轉(zhuǎn)，有望與去年持平。明年有了新產(chǎn)品就好多了。在這個(gè)行業(yè)，只有不斷保持創(chuàng)新，研發(fā)出新品，才能夠不讓自己被市場(chǎng)淘汰?！?/p>
生物相容：檢測(cè)試劑與植入骨骼
李平對(duì)記者表示，公司也在和中科院、同濟(jì)大學(xué)、華東理工大學(xué)等院校和研究機(jī)構(gòu)合作，希望開拓石墨烯未來更多的應(yīng)用領(lǐng)域。“生物醫(yī)療是我們非常關(guān)注的領(lǐng)域，尤其是石墨烯在生物傳感及檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，石墨烯具有非常強(qiáng)的熒光猝滅效應(yīng)，可以使傳統(tǒng)的生物檢測(cè)方法靈敏度提高2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前最主要的挑戰(zhàn)是安全性評(píng)估，尤其是石墨烯這種納米材料輸入人體后，可能會(huì)與蛋白質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)，影響新陳代謝，或者導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，這些都還需要大量的工作?！?/p>
李平所說的產(chǎn)品，是用石墨烯的生物相容性來生產(chǎn)檢測(cè)試劑。他說：“化學(xué)修飾是關(guān)鍵。由于氧化石墨烯富含羥基、羧基、環(huán)氧各種活性含氧基團(tuán)，有很好的生物相容性，可以通過量子點(diǎn)表面特異性化學(xué)修飾，通過納米自組裝技術(shù)設(shè)計(jì)特別的DNA或核酸探針，針對(duì)某些蛋白質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)或者熒光能量共振，從而快速診斷。就像抗體和抗原、生物素和親和素、DNA的堿基配對(duì)，都是特異性很強(qiáng)的?！?/p>
這一想法，和此前萊斯大學(xué)(RiceUniversity)物理學(xué)家Ching-HwaKiang的想法相一致。Kiang和他的朋友JamesTour通過將碳納米管解壓的方式制成石墨烯納米帶(GNRs).GNRs是一種長度超過寬度幾千倍的條狀材料。這種材料的形狀，造成了其類似于蛋白質(zhì)和DNA的性質(zhì)。這就意味著，可以通過這種材料觀察蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，GNRs像DNA和蛋白質(zhì)一樣，在溶液中可以自發(fā)形成皺紋和循環(huán)，也可以形成螺旋體、皺紋或環(huán)繞。
這種材料未來很可能會(huì)被官能化修飾，用來和DNA、蛋白質(zhì)，甚至是細(xì)胞結(jié)合使用。有了這樣的材料，未來生物分子檢測(cè)和分子醫(yī)學(xué)都將成為可能。同時(shí)也可能以用于DNA測(cè)序。這種材料可能會(huì)多方面地改變生物醫(yī)學(xué)的其他領(lǐng)域。
近期，萊斯大學(xué)的科學(xué)家又在嘗試焊接納米薄片以形成堅(jiān)韌的多孔材料。研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚焦的離子束顯微鏡圖像顯示出一塊焊接在一起的3D石墨烯層。該材料符合骨植入標(biāo)準(zhǔn)所必需的生物相容性和材料性能。
萊斯大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家PulickelAjayan和同事在美國得克薩斯、巴西和印度等地使用放電等離子體燒結(jié)焊接石墨烯氧化物的薄片，其機(jī)械性能與生物相容性能和鈦相媲美，成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的骨替代材料的多孔固體。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《先進(jìn)材料》論文里。研究人員相信他們的技術(shù)將能夠創(chuàng)造出高度復(fù)雜的石墨形狀，而且只需要幾分鐘，他們認(rèn)為這種工藝會(huì)比特種金屬加工更容易創(chuàng)造出特殊材料。
“我們開始思考骨植入，因?yàn)槭┦亲钣腥さ牟牧现?，它能?chuàng)造出許多可能性，因?yàn)樗哂幸话愕纳锵嗳菪浴！比R斯大學(xué)博士后研究助理ChandraSekharTiwary對(duì)《第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)》記者表示。Tiwary也是論文的共同第一作者。另一名第一作者DibyenduChakravarty來自印度海得拉巴粉末冶金新材料研究中心。Tiwary說：“四件事情很重要：機(jī)械性能、密度、孔隙率和生物相容性?！?/p>
新型的3D打印材料
研究人員通過改變納米級(jí)的焊縫上的電壓來控制材料的密度。雖然實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，研究人員還把燒結(jié)溫度提高到200至400攝氏度以制成各種密度的石墨烯的固體。Tiwary表示：“實(shí)驗(yàn)證明在300℃局部溫度能夠得到最好的樣品?！?/p>
在美國明尼蘇達(dá)州高科技納米制造公司海思創(chuàng)(Hysitron)同事的幫助下，研究人員通過與一個(gè)掃描電子顯微鏡連接反復(fù)測(cè)試二至五層接合石墨烯的承載能力，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)?0微牛(micronewtons)的壓力下仍然很穩(wěn)定。此外，他們還在得克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心研究人員的幫助下，成功地在該石墨烯材料上培養(yǎng)出細(xì)胞，顯示了其生物相容性。令人驚喜的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)過程具有去氧化功能，能夠使得氧化石墨烯薄片變成純雙層石墨，這使得它們比單層石墨或石墨烯氧化物具有更加穩(wěn)定的能力。
Ajayan表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了如何使用常規(guī)的技術(shù)來制成非常規(guī)的材料。但是一個(gè)重要的前提是，二維材料能夠量產(chǎn)制成密度和強(qiáng)度都合適的3D材料。“二維材料的好處是它能夠在很大的表面積上實(shí)現(xiàn)連接，你只要去克服一個(gè)小小的活化能，增加焊接強(qiáng)度。”Ajayan說，“納米積木之間的工程結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的接口是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最大的挑戰(zhàn)，但在這種情況下，放電等離子燒結(jié)似乎是有效的加入石墨烯片并制作成3D石墨材料的方法?！?/p>
Tiwary還表示，放電等離子燒結(jié)在工業(yè)上一般與陶瓷一起被用來制造復(fù)雜的零件?！霸摷夹g(shù)采用高脈沖電流把焊片瞬間連接起來。你只需要高電壓，不需要高壓或者高溫。”他說，他們制作的材料近50%是多孔的，密度只有普通石墨的一半，只有金屬鈦的四分之一。但它有足夠的抗壓強(qiáng)度——40兆帕，這樣能符合骨植入？的要求——骨骼中的扭力可以使得它在水中也不會(huì)溶解。
此前有傳聞稱諾基亞未來新手機(jī)將會(huì)使用石墨烯感光元件，傳感器將由臺(tái)灣富士康生產(chǎn)。新手機(jī)將會(huì)是諾基亞和富士康聯(lián)手的第一款產(chǎn)品。對(duì)此，新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員表示：“石墨烯感光元件制成的攝像頭對(duì)光線的敏感程度比普通的CMOS要強(qiáng)1000倍，但同時(shí)價(jià)格也要高5倍以上?！辈贿^該研究人員同時(shí)表示，諾基亞著眼于提高感光元件在強(qiáng)光和弱光的成像品質(zhì)，選用全新的感光元件。如果成功，將會(huì)給業(yè)內(nèi)造成巨大的沖擊。
不過隨著技術(shù)的成熟，新材料的成本也將大幅降低，石墨烯3D打印材料就是一個(gè)很好的證明。就在上個(gè)月，知名石墨烯企業(yè)、倫敦上市公司HaydaleGrapheneIndustries(HGI)全資子公司HaydaleCompositeSolutions(HCS)宣布將與熱塑性3D打印線材生產(chǎn)商Filamentprint公司及Fullerex公司共同合作，推廣和銷售石墨烯增強(qiáng)聚乳酸(PLA)線材應(yīng)用于3D打印。據(jù)了解，這款全新的3D打印線材將會(huì)在本月舉辦的TCT增材制造展會(huì)上正式露面。
目前這種3D打印材料已經(jīng)在幾家大型3D打印公司進(jìn)行了使用并取得了良好的反響。HCS公司董事總經(jīng)理GerryBoyce發(fā)表聲明稱：“我們非常興奮能夠?yàn)?D打印應(yīng)用開發(fā)出石墨烯增強(qiáng)的熱塑性材料。這些新材料擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠使零部件更硬、更強(qiáng)、更快！一直以來，打印速度就是阻礙3D打印技術(shù)得以大規(guī)模應(yīng)用的障礙。一想到未來能夠直接根據(jù)CAD制造出結(jié)構(gòu)性部件的前景就讓我們無比激動(dòng)。”
除了推出其第一款商用石墨烯增強(qiáng)PLA線材之外，該公司也正在研究包括ABS、尼龍和PP(聚丙烯)材料在內(nèi)的石墨烯增強(qiáng)3D打印線材。此外，這兩家公司也可以根據(jù)客戶需求開發(fā)出定制的石墨烯增強(qiáng)熱塑性線材，以滿足特定的產(chǎn)品要求。
諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國曼徹斯特大學(xué)教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫曾在今年的MWC移動(dòng)通信大會(huì)的石墨烯專場(chǎng)上指出：“石墨烯和其他的二維材料擁有獨(dú)特的性能，它們可以為可彎曲和透明的電子設(shè)備提供基本的形態(tài)。最早的應(yīng)用之一是在印刷型電子產(chǎn)品中的二維材料應(yīng)用，接下來將在移動(dòng)的印刷型電子設(shè)備中有所應(yīng)用?！?/p>
不過，石墨烯的應(yīng)用在整個(gè)行業(yè)都還沒有一個(gè)清晰的途徑。“我們接觸過很多高等院校的教授，他們也寫過一些比較有意思的論文，但問題是他們不了解產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)，從研究到產(chǎn)品是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，石墨烯一定要變成一種電子元器件才有它的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)室里成功的案例，未必拿到生產(chǎn)線上就可行。”李平對(duì)記者表示，“我們還是要依靠自己的研究人員進(jìn)行研發(fā)，結(jié)合整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和需求，但是剛開始產(chǎn)品成本是個(gè)問題?！?/p>
