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石墨烯產業化之路:這究竟是一種怎樣的材料

發布時間:2019-06-25

石墨烯究竟是一種怎樣的材料?在石墨烯產業化的道路上還有多少荊棘?石墨烯是人類發明的第一種單原子的二維碳膜材料。只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,為它帶來了全新的電學屬性。石墨烯產業化道路還在不斷前進,在充滿荊棘的路上依然不放棄。
    走進嘉興中易碳素7000平方米的工廠,整齊排列著幾十臺燒結高導熱石墨膜的高溫爐和低溫爐。這些爐子生產的是用于制作手機等電子產品散熱膜的原材料。
    石墨烯是人類發明的第一種單原子的二維碳膜材料。只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,為它帶來了全新的電學屬性。它的導電性強、可彎折、機械強度好,看起來頗有未來神奇材料的風范。
    2012年,因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)和他的同事在《自然》雜志上發表文章,討論石墨烯的未來。他認為作為一種材料,石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”。雖然將來它也許能發揮重大作用,但是在克服幾個重大困難之前,這一場景還不會到來。
    更重要的是,考慮到產業更新的巨大成本,石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現有的設備——它的真正前景,或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應用場合。
    導熱性:手機上的應用
    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層和透明電子產品的原料。如果再加上超級電容、信息存儲器件、高性能復合材料,到催化劑載體、藥物輸送等,那簡直就是可以改變世界的發明。
    在生產車間里,15條人工合成石墨生產線月產能可達6萬平方米。這些燒結完畢的原材料進行壓延、背膠、覆膜、模切成型加工后,最終被制成一塊塊手機蓋大小的薄膜,用來貼在手機屏幕、屏蔽罩、中框、后蓋、電池上,實現散熱功能。
    在2011年創立這家致力于特種功能材料研發的企業之前,中易碳素創始人CEO李平在中國電信上海研究院工作。在高導熱石墨膜的應用領域,中易碳素從大尺寸石墨膜、連續卷材、多層復合石墨膜等方面進行研究創新。
    針對最新的石墨烯概念,李平表示,中易碳素一直在持續跟蹤和投入研發,行業首創的石墨烯量產化產品石墨烯散熱膜即將作為高導熱石墨膜的升級換代產品正式推向市場,記者在現場看到,石墨烯散熱膜最薄厚度可以做到5微米,遠遠突破了高導熱石墨膜25微米的常規厚度,同時,石墨烯散熱膜具有更加強大的導熱性能。目前,石墨烯散熱膜已經實現了原材料制備、表面化學修飾、分散、成膜、后道模切加工等全生產流程的打通。
    不過隨著智能手機行業的飽和,整個行業都面臨訂單的下滑。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,有望與去年持平。明年有了新產品就好多了。在這個行業,只有不斷保持創新,研發出新品,才能夠不讓自己被市場淘汰?!?BR>    生物相容:檢測試劑與植入骨骼
    李平表示,公司也在和中科院、同濟大學、華東理工大學等院校和研究機構合作,希望開拓石墨烯未來更多的應用領域?!吧镝t療是我們非常關注的領域,尤其是石墨烯在生物傳感及檢測領域的應用,石墨烯具有非常強的熒光猝滅效應,可以使傳統的生物檢測方法靈敏度提高2到3個數量級。目前最主要的挑戰是安全性評估,尤其是石墨烯這種納米材料輸入人體后,可能會與蛋白質等發生反應,影響新陳代謝,或者導致細胞凋亡,這些都還需要大量的工作?!?BR>    李平所說的產品,是用石墨烯的生物相容性來生產檢測試劑。他說:“化學修飾是關鍵。由于氧化石墨烯富含羥基、羧基、環氧各種活性含氧基團,有很好的生物相容性,可以通過量子點表面特異性化學修飾,通過納米自組裝技術設計特別的DNA或核酸探針,針對某些蛋白質產生電化學反應或者熒光能量共振,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,都是特異性很強的?!?BR>    這一想法,和此前萊斯大學(RiceUniversity)物理學家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和DNA的性質。這就意味著,可以通過這種材料觀察蛋白質的折疊狀態。研究人員發現,GNRs像DNA和蛋白質一樣,在溶液中可以自發形成皺紋和循環,也可以形成螺旋體、皺紋或環繞。
    這種材料未來很可能會被官能化修飾,用來和DNA、蛋白質,甚至是細胞結合使用。有了這樣的材料,未來生物分子檢測和分子醫學都將成為可能。同時也可能以用于DNA測序。這種材料可能會多方面地改變生物醫學的其他領域。
    近期,萊斯大學的科學家又在嘗試焊接納米薄片以形成堅韌的多孔材料。研究人員通過實驗發現,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準所必需的生物相容性和材料性能。
    萊斯大學材料實驗室的科學家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焊接石墨烯氧化物的薄片,其機械性能與生物相容性能和鈦相媲美,成為一個標準的骨替代材料的多孔固體。
    這項發現發表在《先進材料》論文里。研究人員相信他們的技術將能夠創造出高度復雜的石墨形狀,而且只需要幾分鐘,他們認為這種工藝會比??特種金屬加工更容易創造出特殊材料。
    “我們開始思考骨植入,因為石墨烯是最有趣的材料之一,它能創造出許多可能性,因為它具有一般的生物相容性?!比R斯大學博士后研究助理ChandraSekharTiwary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:機械性能、密度、孔隙率和生物相容性?!?BR>    新型的3D打印材料
    研究人員通過改變納米級的焊縫上的電壓來控制材料的密度。雖然實驗在室溫下進行,研究人員還把燒結溫度提高到200至400攝氏度以制成各種密度的石墨烯的固體。Tiwary表示:“實驗證明在300℃局部溫度能夠得到最好的樣品?!?BR>    在美國明尼蘇達州高科技納米制造公司海思創(Hysitron)同事的幫助下,研究人員通過與一個掃描電子顯微鏡連接反復測試二至五層接合石墨烯的承載能力,并發現它們在70微牛(micronewtons)的壓力下仍然很穩定。此外,他們還在得克薩斯大學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出細胞,顯示了其生物相容性。令人驚喜的是,研究人員還發現了燒結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定的能力。
    Ajayan表示,這個實驗證明了如何使用常規的技術來制成非常規的材料。但是一個重要的前提是,二維材料能夠量產制成密度和強度都合適的3D材料?!岸S材料的好處是它能夠在很大的表面積上實現連接,你只要去克服一個小小的活化能,增加焊接強度?!盇jayan說,“納米積木之間的工程結構和強大的接口是實現這些目標的最大的挑戰,但在這種情況下,放電等離子燒結似乎是有效的加入石墨烯片并制作成3D石墨材料的方法?!?BR>    Tiwary還表示,放電等離子燒結在工業上一般與陶瓷一起被用來制造復雜的零件?!霸摷夹g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?!彼f,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溶解。
    此前有傳聞稱諾基亞未來新手機將會使用石墨烯感光元件,傳感器將由臺灣富士康生產。新手機將會是諾基亞和富士康聯手的第一款產品。對此,新加坡南洋理工大學的研究人員表示:“石墨烯感光元件制成的攝像頭對光線的敏感程度比普通的CMOS要強1000倍,但同時價格也要高5倍以上?!辈贿^該研究人員同時表示,諾基亞著眼于提高感光元件在強光和弱光的成像品質,選用全新的感光元件。如果成功,將會給業內造成巨大的沖擊。
    不過隨著技術的成熟,新材料的成本也將大幅降低,石墨烯3D打印材料就是一個很好的證明。就在上個月,知名石墨烯企業、倫敦上市公司HaydaleGrapheneIndustries(HGI)全資子公司HaydaleCompositeSolutions(HCS)宣布將與熱塑性3D打印線材生產商Filamentprint公司及Fullerex公司共同合作,推廣和銷售石墨烯增強聚乳酸(PLA)線材應用于3D打印。據了解,這款全新的3D打印線材將會在本月舉辦的TCT增材制造展會上正式露面。
    目前這種3D打印材料已經在幾家大型3D打印公司進行了使用并取得了良好的反響。HCS公司董事總經理GerryBoyce發表聲明稱:“我們非常興奮能夠為3D打印應用開發出石墨烯增強的熱塑性材料。這些新材料擁有諸多優點,包括能夠使零部件更硬、更強、更快!一直以來,打印速度就是阻礙3D打印技術得以大規模應用的障礙。一想到未來能夠直接根據CAD制造出結構性部件的前景就讓我們無比激動?!?BR>    除了推出其第一款商用石墨烯增強PLA線材之外,該公司也正在研究包括ABS、尼龍和PP(聚丙烯)材料在內的石墨烯增強3D打印線材。此外,這兩家公司也可以根據客戶需求開發出定制的石墨烯增強熱塑性線材,以滿足特定的產品要求。
    諾貝爾獎物理學獎得主、英國曼徹斯特大學教授康斯坦丁-諾沃肖洛夫曾在今年的MWC移動通信大會的石墨烯專場上指出:“石墨烯和其他的二維材料擁有獨特的性能,它們可以為可彎曲和透明的電子設備提供基本的形態。最早的應用之一是在印刷型電子產品中的二維材料應用,接下來將在移動的印刷型電子設備中有所應用?!?BR>    不過,石墨烯的應用在整個行業都還沒有一個清晰的途徑?!拔覀兘佑|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業和市場,從研究到產品是一個極其復雜的過程,石墨烯一定要變成一種電子元器件才有它的實際應用價值。在實驗室里成功的案例,未必拿到生產線上就可行?!崩钇奖硎?,“我們還是要依靠自己的研究人員進行研發,結合整個產業的發展和需求,但是剛開始產品成本是個問題?!?BR>   

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