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石墨烯為觸摸屏和鋰電池及3D打印等帶來“烯”望

時(shí)間：2016-04-07 09:52:04 來源：搜狐作者：智能界網(wǎng)

石墨烯有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。自從2004年第一次被成功制造出來之后，就被科技界看好，認(rèn)為它是一種顛覆性的全新材料，因其優(yōu)異的特性，許多人認(rèn)為21世紀(jì)將成為“石墨烯時(shí)代”。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究院成會(huì)明認(rèn)為，石墨烯的導(dǎo)電率很高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種用于移動(dòng)電池、電源很理想的電極材料?？梢院碗娮釉㈦娮釉O(shè)備進(jìn)一步結(jié)合，以增強(qiáng)其它儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電率。

石墨烯的另一個(gè)神奇之處在于“零滲透”——所有氣體、液體都無法滲透，有著“針插不進(jìn)，水潑不進(jìn)”的本事。比如，給船體涂上石墨烯涂層，海水中重金屬離子等就無法穿透這層薄膜去腐蝕船體。

讓人感到驚奇的遠(yuǎn)不止這些。石墨烯具有很強(qiáng)的吸附性，科學(xué)家正在研究用它做過濾裝置，用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域。它幾乎又是完全透明的，具有非常好的透光性，適合作為透明電子產(chǎn)品原料。

盡管目前大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)都僅限于塑料線材，但許多制造專家都認(rèn)為，3D打印技術(shù)更多的創(chuàng)造潛力蘊(yùn)藏在范圍更廣的其他材料和應(yīng)用特征上，比如我們現(xiàn)在討論的石墨烯材料。

2016年2月9日，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和加州大學(xué)Santa Cruz分校的科學(xué)家們宣布，他們首次使用超輕的石墨烯凝膠3D打印出超級(jí)電容，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師更加自由、不受設(shè)計(jì)限制地將高效能源存儲(chǔ)系統(tǒng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、電動(dòng)汽車和無線傳感器打開了大門。

據(jù)了解，LLNL的研究團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為直接油墨書寫(direct-ink writing)的3D打印工藝和該實(shí)驗(yàn)室自己設(shè)計(jì)的氧化石墨烯復(fù)合油墨來打印微結(jié)構(gòu)，制造出可以保留能量的超級(jí)電容，比當(dāng)前使用電極制造的同類電容薄10到100倍。

這種石墨烯“線材”能夠通過擠出頭3D打印微結(jié)構(gòu)，一旦3D打印成指定的結(jié)構(gòu)之后，這個(gè)石墨烯對(duì)象還需要進(jìn)行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性，在此之后，這些3D打印的對(duì)象就可以用于各種處理，并仍會(huì)保持其石墨烯的性質(zhì)。

2016年1月28日，該成果發(fā)表在《Nano Letters》雜志上，這項(xiàng)技術(shù)突破了2D制造的限制，用它可制造出各種各樣復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)可使我們?cè)谥悄苁謾C(jī)里為能量存儲(chǔ)系統(tǒng)留下一個(gè)很小的空間即可。這種超級(jí)電容器的充電速度非常快，理論上只需要幾分鐘或者幾秒鐘即可完成充滿電量。

關(guān)于3D打印技術(shù)與石墨烯的結(jié)合，另一個(gè)值得關(guān)注的事件就是：2015年11月23日，知名3D打印材料公司Graphene 3D Lab通過其電子商務(wù)網(wǎng)站向外界宣布推出新型3D打印材料Graphene Flex Foam(石墨烯柔性泡沫)。

Graphene Flex Foam是一種多層獨(dú)立式柔性石墨烯泡沫，它將導(dǎo)電性彈性復(fù)合材料與超輕的石墨烯泡沫結(jié)合在了一起。這種泡沫，實(shí)際上是具有高導(dǎo)電性的三維化學(xué)氣相沉積(CVD)，與復(fù)合材料結(jié)合，從而具備了石墨烯的多個(gè)優(yōu)良屬性。作為一種柔軟的泡沫，該材料具備重量輕、可重構(gòu)，具有多孔結(jié)構(gòu)，而且易于使用和處理等特點(diǎn)。

Graphene Flex Foam是在離子電池的電極制造中優(yōu)質(zhì)的基本材料，非常適合用于穿戴電子產(chǎn)品，這是因?yàn)殡娮悠骷?、傳感器和?dǎo)線等都非常需要通過這種柔性的可穿戴材料來實(shí)現(xiàn)。

作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在觸控屏、半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、光器件、航空、軍工、LED、激光等領(lǐng)域或?qū)硪淮胃锩?。不過，由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其產(chǎn)值至少在萬億以上。如果研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行得順利的話，也許我們的生活很快就會(huì)時(shí)時(shí)刻刻都需要使用這種材料了。

目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)被納入國(guó)家戰(zhàn)略布局?！吨袊?guó)制造2025》選擇10大優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破，在首個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領(lǐng)域之一。此外，“十三五”新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)，也將石墨烯等新材料列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

業(yè)界認(rèn)為，有了石墨烯，人類就可以開發(fā)出下一代能源解決方案，如太陽(yáng)能電池或者幾分鐘即可充滿電的手機(jī)電池。一些人甚至大膽猜測(cè)，將來全新設(shè)計(jì)的3D打印超級(jí)電容可以用來創(chuàng)建當(dāng)前很難制造、甚至用其他方法不可能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特電子產(chǎn)品，比如完全定制的智能手機(jī)或者折疊裝置等，其性能也會(huì)達(dá)到前所未有的水平。

不僅在能源儲(chǔ)存系統(tǒng)，石墨烯在檢測(cè)食品毒素、環(huán)境污染、特定病毒和細(xì)菌等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如，將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上可產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)信號(hào)，以便高敏感傳感器檢測(cè)到毒素，其檢測(cè)能力相當(dāng)于普通傳感器的10倍。此外，石墨烯還能用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，如藥物傳送、癌癥治療和生物傳感等，石墨烯擁有許多獨(dú)特的屬性，如更大的表面積、生物適應(yīng)性和化學(xué)穩(wěn)定性，這使得石墨烯具有很大的研究潛力，并被寄予厚望。

石墨烯新材料應(yīng)用十分廣泛，尤其是石墨烯增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料在下一代飛機(jī)研制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件制造、未來高速飛行器研制等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。目前，C919、B777飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)大量選用了含有石墨烯材料的鋁合金，有助于進(jìn)一步降低機(jī)身結(jié)構(gòu)的重量、提高使用壽命，大幅降低制造成本。

有消息稱，西班牙Graphenano與其中國(guó)合作伙伴正泰公司最近也推出石墨烯材料的聚合物電池，據(jù)說，這種電池允許電動(dòng)車連續(xù)行駛800公里，可在幾分鐘內(nèi)充電，電池也可以用作家庭使用，汽車行業(yè)，甚至包括自行車、無人駕駛飛機(jī)、心臟起搏器等。公司希望這種電池可在2016年年中實(shí)現(xiàn)原型，年底實(shí)現(xiàn)商用蓄電池組運(yùn)行。

除了以上這些，媒體鋪天蓋地的報(bào)道給我們的印象是，石墨烯改變的還有我們生活的方方面面：如用來生產(chǎn)防水膜億解決全球水資源短缺問題;取代當(dāng)前電子產(chǎn)品中的硅，以更小的體積提供更強(qiáng)的性能。

過度炒作反而是一種傷害

筆者發(fā)現(xiàn)，除了不能吃、不能喝、不耐熱之外，似乎石墨烯是個(gè)全能兒，以前展會(huì)上我們遇見過一些零售的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯護(hù)腰，這簡(jiǎn)直在降低石墨烯高大上的形象。在中國(guó)，人們已經(jīng)可以買到各種各樣的石墨烯產(chǎn)品。新三板上市公司圣泉集團(tuán)已經(jīng)在市場(chǎng)推出了石墨烯襪子和內(nèi)衣。該公司宣稱，他們?cè)诋a(chǎn)品中添加了生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維，這是一種全新的智能多功能復(fù)合纖維，具有激活免疫細(xì)胞、防護(hù)紫外線、改善微循環(huán)、抗菌抑菌、增溫增陽(yáng)等特性，還可以除臭。

目前國(guó)內(nèi)石墨烯市場(chǎng)十分“火熱”，但“火熱”的背后也應(yīng)該看到不足，有的企業(yè)直接將石墨烯當(dāng)作宣傳、銷售的噱頭?，F(xiàn)在太多拿著石墨烯應(yīng)用炒概念的，要么是借用石墨烯拉升股票，要么是借用石墨烯概念來給自己的產(chǎn)品吹噓，這些都不是真正科學(xué)意義上的石墨烯。

從應(yīng)用的角度上來講，石墨烯目前還在講故事階段，發(fā)展程度只能說是符合預(yù)期，而且在中國(guó)，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合度更是低于預(yù)期。清華大學(xué)教授王志華更是在公開場(chǎng)合表態(tài)：“石墨烯用于IC(自發(fā)明集成電路)業(yè)，五年內(nèi)都是一句空話。”要知道，過度的炒作反而是一種傷害。

有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，真正走向市場(chǎng)，過程“前景光明，道路曲折”。首先是受限于材料生產(chǎn)，要實(shí)現(xiàn)石墨烯商業(yè)化，需要生產(chǎn)出低成本、高品質(zhì)的石墨烯成品。但是，制作出這種石墨烯并非易事，技術(shù)層面上還有很多挑戰(zhàn)，批量化和大尺寸生產(chǎn)都還沒能克服。

目前，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前還存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品品質(zhì)待提升、上下游互動(dòng)不夠等問題。石墨烯行業(yè)缺乏統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)石墨烯的質(zhì)量、制備工藝、檢測(cè)設(shè)備和方法等，都沒有科學(xué)統(tǒng)一的說法。中國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)何去何從，不僅需要國(guó)家層面的引導(dǎo)，更需要足夠的時(shí)間和足夠的耐心。

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石墨烯 3D打印穿戴電子產(chǎn)品

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