如果问你人类赖以生存和发展的物质基础是什么?
大多数人可能会说是自然资源。
但从严谨的角度看,对人有用的材料才是人类赖以生存和发展的物质基础。

从木、石、泥,到铜、铁、钢,再到硅晶片、碳纤维,人类社会每一个新时代都会有一种标志性的新材料诞生,而这种新材料往往会成为一个时代生产力提升的“引擎”。
在21世纪,材料尤其是新材料仍将是支撑起现代工业发展的重要基石。
当前,材料利用已全面进入碳时代,石墨烯则很可能成为这一新时代的标志性新材料。
据国土资源部统计,我国石墨储量占全球已探明储量的70%以上,具有较为明显的资源优势。
除此之外,我国也积极投身到石墨烯的研究当中,到现在中国已经处于研究这种新材料的最前列。
但你可知,中国的石墨烯技术也是近几年才开始发展的,而欧美则早在2004年就已经出现了石墨烯。

那这个石墨烯究竟是什么?
要了解石墨烯,首先就得知道石墨。天然的石墨就像一块千层肉,是由一层层按蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而成。而每一层的平面碳原子之间处于一种游离的状态,很容易被剥离成一片一片的单独个体,也就是石墨片。
而若是将石墨片再进行剥离,直至剩下一个碳原子厚度的单层,这个最终获得的单层就是石墨烯。作为世界上已知的最薄、最硬的材料,其厚度只有 0.335 纳米,头发的厚度都是石墨烯的二十万倍!
凭借着其自身的优良禀赋,以及2010年诺贝尔物理学奖颁发给石墨烯发现者产生的轰动效应,石墨烯开始走入各国目光里,并“熠熠生辉”。
于是,在各国、各行业大力推动之下,随着石墨烯产业和技术研发的不断深入,其国际竞争态势初现端迹。

作为一种潜力巨大的,甚至是会影响到未来国家核心竞争力的关键材料,石墨烯被各国先后从国家战略高度展开了部署。
同时,还颁布了多项相关的政策扶持计划,以加大对石墨烯技术研发及商业化应用的支持力度,力争把握石墨烯技术革命和产业革命带来的发展机遇。
就拿美国来说,其所开展的石墨烯系列研究所依靠的就是美国国防部和国家自然科学基金会。而其所布局的重点就是石墨烯前沿领域的应用,主要是在电子器件和超级电容器等方面。
欧盟预计会在十年的时间里对石墨烯项目研究予以十亿欧元的援助,并将之加入到“未来新兴技术旗舰项目”的规划里。
英国也投入了大量资金到石墨烯技术商业化应用的研究当中,并且在2011年的时候把石墨烯列为四大战略性新兴产业之一。

日本早在2007年就已开始对石墨烯硅材料、器件等有关技术进行资助。
总体上看,当前及未来5到10年之内,世界各国的支持政策仍将主要集中在石墨烯产业链中游,也就是石墨烯功能器件的相关研发上,用以加快石墨烯产业化的应用步伐。
在政府、企业与科研机构的重视支持下,发达国家不仅在石墨烯的基础理论、制备技术与商业化应用上获得了长足发展,而且涌现出一批代表性企业,其主要产品包括用化学气相沉积法规模化生产石墨烯、石墨烯薄膜、石墨烯粉体、石墨烯制备设备、石墨烯油墨等。

同时,随着石墨烯相关技术研发的不断深入,以及相关的产业竞争趋势加剧,石墨烯产业全球分工的步伐不断加快。
目前,美国已经形成了相对完整的石墨烯产业链。整个产业链涉及石墨的制备,相关应用的研究,以及中下游产品的生产与应用等。
而欧盟所研究的重点是在石墨烯粉体、石墨烯薄膜、石墨烯复合材料制备等中上游方面,其尚未在下游均衡布局。
也就是说,欧盟只具有产业链的一环。

日本和韩国的情况和欧盟基本类似,所不同的是日本的产业优势主要集中在CVD石墨烯薄膜制备,而韩国的产业优势则主要集中在电子器件领域中的应用。
但在这场超级材料突围战中,中国已抢占先机。
自2012年以来,我国密集出台了《新材料产业“十二五”发展规划》、《关键材料升级换代工程实施方案》、《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图(2015年版)》、《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》等多项政策措施。
在2016年9月的时候,国家工信部原材料工业司就曾主张大力构建完整的石墨烯上、中、下游产业链,为此还提出“石墨烯+”的计划。
另外,我国在2013年7月13日和2016年7月30日就已分别成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟和全国首个 “国字头”石墨烯材料产业技术创新战略联盟,通过促进产学研用的紧密结合,积极推动石墨烯技术的商业化应用。

时间来到2014年1月的时候,随着《石墨烯材料的名词术语与定义》的发布,我国从标准化角度对石墨烯予以界定,对相关产业的发展加以规范。
在一系列政策措施的助力下,近年来我国石墨烯研发能力迅速提高,已接近国外先进水平。不仅如此,近年来我国在石墨烯相关的领域中所掌握的自主知识产权已经处于国际领先的水平。
由《全球石墨烯产业专利分析报告(2016)》的数据可知,中国已经是该行业专利申请量最大的国家,也就是说,我们在石墨烯的领域里已经取得了科技创新优势。
同时,在石墨烯应用方面,我国正处于从实验室走向产业化的关键时期,并相继拿出了众多有分量的成果。 当然,我国在石墨烯的产业化方面的速度同样不慢。
在总体上看,我国石墨烯的研发和应用水平已经做到与欧美发达国家并驾齐驱的地步。

作为石墨烯领域的后进者,中国不仅在石墨烯粉末和薄膜的大规模制备方面取得了显著成绩,而且国内的部分石墨烯产品在动力电池导电添加剂、抗静电塑料、触摸屏、防腐涂料等领域已最先进入市场。
短短几年的时间,中国就已经成功做到从实验室到工业应用的“三级跳”,也难怪欧美发达国家会如此忌惮中国了。
但机遇总是与挑战并存的,我国石墨烯产业化也面临不少问题。
新材料的发明制取,虽然对现代产业体系的形成和发展起着举足轻重的作用,但是石墨烯作为一种科技含量高、应用领域具有颠覆性的新材料,在产业化过程中难免在技术、市场和组织等方面存在极大的不确定性。
也正是如此,石墨烯在理论上的应用前景虽然广阔,各企业也有涉足石墨烯制备、加工与应用,媒体更是大肆宣传报道石墨烯制备技术或商业化应用取得的突破进展。
但是,真正能够做到产业化的企业没几个,做到产业化又为企业带来可持续经济收入的更是鲜有耳闻。

那么,究竟是什么原因导致这种情况出现的呢?
原因一:尚未有合适的规模化量产的制备方法
现阶段,大多数石墨烯研究项目无法实现商品化、产业化的主要瓶颈在于规模化制备大尺寸、杂质缺陷可控的高品质石墨烯技术尚未突破。
许多科学研究向投资者、消费者和政府部门展示了石墨烯的“神奇功能”,但这些神奇功能对石墨烯的质量要求太高了。
先来说说高质量的石墨烯是如何制取的。

其实,和普通石墨烯的制取一样,这些高质量的石墨烯也需要用到胶带,通过胶带一次次的粘黏,将其从石墨上剥离下来。
费时费力不说,还不一定成功,这就对石墨烯制备量产产生限制。
当然,也有适用于量产的制备方法,那就是化学气相沉淀法和氧化还原法。
但这些方法也有着自身的局限性,那就是会使得制备的石墨烯质量受到严重影响,这是致命的。
高品质石墨烯原料的规模化制备是石墨烯产业化的基石,对下游产品的开发起根本性的作用,然而制备方法的局限直接导致大多数石墨烯项目停留在实验室阶段,产业化大门迟迟不能打开。

原因二:石墨烯产品市场认可度较低
当下的石墨烯产品尚处于研发的阶段,市场的规模化需求欠缺。这与石墨烯的应用程度较浅,应用面较窄有很大的关系。
虽然在目前看来,已经在掺杂改性、透明导电薄膜、复合材料等低端领域已有产品进入市场。
但是,现实情况却是:包括媒体和资本市场上炒作热度“火爆”的石墨烯锂离子电池在内,受生产成本、产品性能与质量等诸多因素影响,目前消费者对进入市场的石墨烯产品接受度并不高,石墨烯下游应用环节未能完全打通,石墨烯产品市场需求有待培育。

原因三:高端应用领域开拓乏力
在低端应用领域产品市场认可度较低的同时,石墨烯在新一代显示技术、电脑芯片等高端应用领域开拓乏力。
这主要是因为当前石墨烯研究领域布局相对较窄,当下更看重的是技术研究与开发,而对于实际的应用有所轻视,这样就导致了某种程度上出现了“脱节”的情况。
从石墨烯的技术特征来看,未来欲将石墨烯用于高端领域,以充分发挥石墨烯的优异性能,单凭能制造石墨烯显然是不够的,还需要产业链上、下游环节共同发力。
就比如,因为石墨烯的导电性能实在过于优异,所以无法实现电路开关自由切换。
因此,要想实现利用石墨烯制造电脑芯片的目标,就必须在石墨烯和硅之间植入肖特基管,但是植入方法稍有不当便会使石墨烯丧失其独特属性。
现阶段,受困于石墨烯工程技术人才不足、高端应用领域的配套工艺尚不完善,成熟的石墨烯生产技术、工艺与产品均未出现。

原因四:市场炒作火爆,缺乏可持续投入
目前,参与石墨烯生产的企业主要是中小企业和初创企业,这些企业缺乏足够的技术和资金支持。
对此,国家和地方政府通过建立产业园区和产业基金,积极支持石墨烯企业早日发展。
为了吸引资本市场的关注,获得各级政府的优惠政策,石墨烯领域炒作过度,有掺水的现象。
单就科研方面来看,虽然发表的论文基数大,但是大多为跟踪论文。
也就是说,划水严重,而几无原创成果。在应用方面,夸大石墨烯在高科技领域的应用潜力与市场前景。

而在资本市场方面,虽然已有部分石墨烯企业在新三板或沪市挂牌上市,但资本市场存在过度炒作,催生大量行业泡沫。
在一定意义上,资本催生科技成果泡沫到泡沫破裂再到产业再造已然成为市场经济条件下新兴产业形成发展过程中所必须经历的阵痛,与政府代替市场直接配置创新资源造成的浪费与损失相比,资本市场泡沫破灭产生的低效率问题相对没那么严重。
但是,由于当前石墨烯产业化进程中存在的急功近利心态与虚假繁荣泡沫,导致投资者对进入并深耕石墨烯领域望而却步,影响了资本对该领域的可持续投入,反而给石墨烯产业化带来了一定的负面影响。

那么,未来的石墨烯又会怎样?
在未来的石墨烯时代,随着大规模生产和石墨烯技术的逐步突破,石墨烯的工业应用也会大幅加快。
在当下的研究成果的基础上,未来石墨烯将会率先在新能源电池、传感器和防腐涂料等方面做到商业化的应用。

首先,石墨烯可以用作化学传感器,利用的就是石墨烯表面的吸附性。
根据一些学者的研究,由于石墨烯的天然禀赋,也就是具有独特的二维结构,所以在灵敏度方面,石墨烯可以与单分子检测的极限相媲美。
也因此,石墨烯是一种理想的电化学生物传感器材料,石墨烯传感器对药物中多巴胺和葡萄糖的检测具有良好的灵敏度。
其次,石墨烯还可以应用于新能源电池领域。
根据麻省理工学院的研究,其所研制的表面含有石墨烯纳米涂层的柔性光伏板,可以大大降低制造透明、可变形的太阳能电池的成本。
这种电池可用于夜视镜、照相机和其他小型数码设备,这对新能源电池的发展是有极大的促进作用的。

最后是在防腐涂料领域。
目前,国内防腐涂料消费量是在180万吨左右,在世界防腐涂料消费总量中的占比超过百分之四十。
这些大量的防腐涂料主要被用于石化、船舶、桥梁、集装箱等方面。石墨烯涂层能在金属表面与活性介质之间形成一种物理阻挡层,对基材基底材料具有良好的保护作用。
总而言之,随着这种超级材料在全球范围内的争夺战的开启,中国又一次突破重围,从无到有,从有到优,一路下来走到世界技术发展的前头,这些成就的取得离不开广大科研人员的日夜肩负。

公元前,铜是那个时代的标志;
到了三国,铁就成了那个时代的标志;
发展到唐、宋,钢就成了时代的标志;
进入碳时代,石墨烯则成为这一新时代的标志性新材料。
作为这个时代的“佼佼者”,石墨烯很可能重新定义世界!
而中国,已经抢占先机!