石墨烯或?qū)?lái)一場(chǎng)技術(shù)革命但眼前必須面對(duì)一些瓶頸
2014-04-09 17:03:41
admin
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據(jù)科學(xué)網(wǎng)2013年11月27日訊 石墨烯令人眼花繚亂的優(yōu)點(diǎn)讓人期待一場(chǎng)技術(shù)革命，但科學(xué)家在花費(fèi)10億歐元的同時(shí)，必須要打通一些瓶頸。
歐盟委員會(huì)于今年1月批準(zhǔn)了石墨烯旗艦項(xiàng)目。此前，石墨烯研究已經(jīng)是世界上規(guī)模*大的材料科研項(xiàng)目，總計(jì)有數(shù)百名來(lái)自歐洲17個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與。在旗艦項(xiàng)目于11月25日提交進(jìn)一步的項(xiàng)目提案后，石墨烯研究必將進(jìn)一步擴(kuò)大。
石墨烯是人類(lèi)制造出的*薄物質(zhì)：一薄片碳原子以六邊蜂窩型呈現(xiàn)，堅(jiān)硬如金剛石，其強(qiáng)度是鐵的數(shù)百倍。但與此同時(shí)卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內(nèi)環(huán)境下傳輸電流，其速度超過(guò)任何已知的材料。此外，它還能將任意波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來(lái)后，研究者針對(duì)它潛在的用途提出了多種設(shè)想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，再到高效率的太陽(yáng)能電池和海水淡化膜。
但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應(yīng)用于實(shí)際用途中，研究者還面臨著巨大挑戰(zhàn)。大型號(hào)石墨烯的制造工藝非常復(fù)雜且十分昂貴，經(jīng)常使得碳原子破裂或撕裂，無(wú)法與實(shí)驗(yàn)室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質(zhì)量過(guò)關(guān)，目前既沒(méi)有先進(jìn)的工業(yè)手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒(méi)有技術(shù)將它與其他物質(zhì)結(jié)合從而生產(chǎn)出有用的產(chǎn)品。除此之外，它還有一個(gè)*大的弱點(diǎn)：雖然石墨烯中的電子流動(dòng)性極強(qiáng)，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開(kāi)關(guān)切換活動(dòng)，而這是數(shù)字電子技術(shù)的核心要求。
因此，業(yè)界提出針對(duì)石墨烯開(kāi)展技術(shù)革新。該觀點(diǎn)于2011年首次提出，旨在促成一項(xiàng)由多國(guó)共同推動(dòng)的“石墨烯旗艦技術(shù)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)10年，總投入為10億歐元（約合13.5億美元），歐洲各國(guó)共同努力將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)到工業(yè)領(lǐng)域。除此外，為了彌補(bǔ)石墨烯的缺陷，旗艦項(xiàng)目還將研究超過(guò)12種原子超薄材料，與石墨烯搭配使用。
英國(guó)劍橋大學(xué)石墨烯中心負(fù)責(zé)人兼旗艦項(xiàng)目執(zhí)行委員會(huì)主席Andrea Ferrari說(shuō)：“新注入的資金和能量刺激了整個(gè)石墨烯研究界。之前從未有過(guò)如此大規(guī)模的研究活動(dòng)。”
人多誤事？
但有一些人質(zhì)疑該項(xiàng)目是不是過(guò)于龐大，這種跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動(dòng)技術(shù)革新的*有效方法?
紐約州約克敦海茨市美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）托馬斯·沃森研究中心的石墨烯及納米技術(shù)專(zhuān)家Phaedon Avouris說(shuō)：“這種方法并不能真正推動(dòng)產(chǎn)品革新。”此外，一些參與項(xiàng)目的研究者擔(dān)憂(yōu)：在未來(lái)幾年中，政治力量會(huì)壓過(guò)本應(yīng)處于*優(yōu)先位置的科研活動(dòng)，控制本就分散的資金來(lái)源。
不過(guò)，由于對(duì)旗艦項(xiàng)目的未來(lái)充滿(mǎn)信心，各國(guó)政府與包括諾基亞和空客公司在內(nèi)的行業(yè)合作伙伴將共同提供項(xiàng)目所需的一半資金，而歐盟委員會(huì)將提供另一半資金。旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jari Kinaret說(shuō)：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學(xué)技術(shù)將成為主流。正如當(dāng)下我們廣泛地將聚合物、半導(dǎo)體技術(shù)以及制陶術(shù)應(yīng)用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會(huì)如此。”
旗艦項(xiàng)目被細(xì)分為16項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，其中大部分項(xiàng)目著眼于提升石墨烯在實(shí)際生活中的應(yīng)用，例如高頻電子、傳感器以及能量?jī)?chǔ)存。在項(xiàng)目啟動(dòng)階段投入5400萬(wàn)歐元后，該項(xiàng)目進(jìn)一步的研究提案總價(jià)值達(dá)900萬(wàn)歐元，預(yù)計(jì)于2016年年底前開(kāi)發(fā)出第一批技術(shù)原型。
產(chǎn)業(yè)行動(dòng)
旗艦項(xiàng)目的進(jìn)展離不開(kāi)其他行業(yè)伙伴的合作，例如西班牙圣塞巴斯蒂安市石墨烯公司，該公司目前石墨烯產(chǎn)量為每年15平方米。此外，旗艦項(xiàng)目的順利開(kāi)展還得益于9月與青石全球科技公司簽訂的一份協(xié)議，該公司位于紐約州瓦屏九瀑布市，此前并無(wú)生產(chǎn)石墨烯的經(jīng)驗(yàn)。該公司將在英國(guó)曼徹斯特市開(kāi)辦工作室并提前為石墨烯的順利生產(chǎn)建造配套設(shè)施，這是英國(guó)在石墨烯生產(chǎn)領(lǐng)域的重大舉措。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒(méi)有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來(lái)，提高了石墨烯的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。
但是，諾基亞公司傳感器和材料研究負(fù)責(zé)人兼旗艦項(xiàng)目咨詢(xún)委員會(huì)成員Tapani Ryhanen說(shuō)：“盡管青石公司作出了努力，石墨烯的生產(chǎn)過(guò)程仍然非常復(fù)雜，將石墨烯添加到基片上難度很大。”旗艦項(xiàng)目的目的是精煉化學(xué)氣相沉積（CVD）過(guò)程，并對(duì)備選生產(chǎn)方法進(jìn)行改良。
此外，問(wèn)題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉(zhuǎn)移到新的基片上。例如，當(dāng)把石墨烯安置在硅片上時(shí)，硅片會(huì)起褶皺。一個(gè)解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅(jiān)固、防護(hù)能力更強(qiáng)的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時(shí)候已經(jīng)開(kāi)始了小規(guī)模嘗試。
奧斯丁市得克薩斯大學(xué)的Rod Ruoff曾主持改進(jìn)CVD制造方法的工作。他認(rèn)為，減少石墨烯的生產(chǎn)成本并使其成為主流材料的watechliuhede方法在于如何工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的單層。旗艦項(xiàng)目將研究化學(xué)處理方法、超聲波振動(dòng)等其他技術(shù)手段，但是要找到一項(xiàng)實(shí)用的生產(chǎn)方法仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。Ruoff說(shuō)：“我們需要一次徹底的突破。”
盡管在制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，但有人指出石墨烯已經(jīng)對(duì)市場(chǎng)造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強(qiáng)化網(wǎng)球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導(dǎo)性回路，馬里蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應(yīng)用于反盜竊包裝中。
致命缺陷
然而，在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯*突出的優(yōu)點(diǎn)卻成為其*致命的缺點(diǎn)。原則上，石墨烯內(nèi)部具有極高流動(dòng)性的電子使其能夠以極高的速率處理數(shù)據(jù)，一些石墨烯器件的數(shù)據(jù)處理速度已達(dá)到400千兆赫，是硅器件的數(shù)倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)則很難再把它關(guān)掉，這嚴(yán)重妨礙了邏輯運(yùn)算的進(jìn)行，因?yàn)檫壿嬤\(yùn)算的所有問(wèn)題都是開(kāi)與關(guān)的問(wèn)題。如果將其他材料摻雜進(jìn)石墨烯或?qū)⑹┣懈畛烧瓧l便可形成狹小的帶隙，但這會(huì)降低電子的流動(dòng)速度。因此，研究者正嘗試調(diào)和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料諸如氮化硼相結(jié)合，或者以二硫化鉬和鎢聯(lián)硒化物為材料制造晶體管。
但是，倫敦市Cientifica科技公司的Tim Harper認(rèn)為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長(zhǎng)的路要走。Harper說(shuō)：“除非真有強(qiáng)有力的理由，否則沒(méi)有人會(huì)放棄硅。”近期，石墨烯晶體管*大的賣(mài)點(diǎn)可能在于它能在多種電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，而不是其開(kāi)通或者關(guān)閉的能力。石墨烯的應(yīng)用范圍包括，用于探測(cè)環(huán)境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機(jī)內(nèi)部的信號(hào)發(fā)送器和接收器。
美國(guó)眼力健公司的Daniel Neumaier主持旗艦項(xiàng)目的子項(xiàng)目之一高頻電子的研究，他的目標(biāo)是在項(xiàng)目啟動(dòng)30個(gè)月之后，設(shè)計(jì)出用于證明石墨烯潛力的技術(shù)原型。Neumaier說(shuō)：“我們目前對(duì)此抱有極高的期望。”
此外，正如一些研究者所擔(dān)心的那樣，作為歐洲*高級(jí)別的科研項(xiàng)目，石墨烯旗艦項(xiàng)目需要謹(jǐn)慎地航行，以免在危機(jī)四伏的政治水域中觸礁。