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分类: 工业

石墨烯取代硅片,还有多远?

巴黎高科评论 / 编辑 / 2014-10-22

由于结构的特殊性,石墨烯要比人的头发薄100万倍,强度比钢高200倍,比铜的导电性更强,完全透明,而且可随意折叠。另外,石墨烯对所有气体都具有防渗透性。通常情况下,一种新材料被应用到消费类产品要经过30-40年,但这种特殊材料,在它的曼彻斯特发现者们看来,有朝一日将彻底颠覆电子、能源、航空航天和生物等领域的技术。目前,石墨烯已经被应用于光伏电池、电动车电池和数据中心处理器等产品。

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从物理学角度看,石墨烯是蜂窝晶格结构。如果把一层层的石墨烯压到一起,就成了石墨,也就是铅笔芯的主要成分。一块1毫米厚的石墨,约等于300万层石墨烯……实际上,这种神奇的材料是通过一种最令人不可思议的方式得到的。2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫用一卷普通胶带,把石墨从铅笔芯上一层层分离出来,直到最后,得到只有一层原子厚的单层石墨,即石墨烯。他们因此而获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

广泛用途

在所有由单层原子构成的材料中,石墨烯看起来是最有前途的一种。美国麻省理工学院的一个团队已经试验将这些材料用于光伏电池。单靠政府补贴已经难以为继的光伏产业,亟需根本性的技术突破。将一层碳原子(石墨烯)与一层二硫化钼压在一起,制成的太阳能电池,性能虽然一般——转化率仅有1%,但体积非常小:一纳米厚,即百万分之一毫米。也就是说,每单位体积的石墨烯电池,所产生的电量要比现有最薄、转化效率为30%左右的太阳能电池(无论以砷化镓、晶硅还是硒化铟为原料)多30倍。

石墨烯结构

研究人员计算,如果是三层石墨烯加三层二硫化钼,转化率理论上可达10%,厚度却仅为3纳米——效率空前!如果能够工业化量产,将打破所有产品的功率记录。遗憾的是,这种革命性的电池目前还停留在理论阶段,未经实验室验证。

石墨烯比普通材料的强度更大。韩国高级科技研究院(The Korean Advanced Institute of Science and Technology)最近证明,把铜和石墨烯压在一起,强度能够提高500倍。虽然石墨烯的重量只占这种复合材料的0.00004 % ,却让整体强度提升了几百倍。

人们还敏锐地预见到石墨烯可以用于未来的电池研究。理论上,在不到10分钟内把手机电池充满是可以实现的。使用石墨烯电池的电动汽车将能够实现真正不受动力的限制,进而得到普及。石墨烯具有高度导电性,充电很快,但重量却只有普通电池的一半。

处于该研究领域前沿的加州大学洛杉矶分校,理查德?凯恩(Richard Kaner)教授领导的团队,已经开发出一种由石墨烯微电容网组成的电化学电容器。这种“超级电容器”拥有连效率极高的锂离子电池都无法与之相比的性能:100-1000倍的容量,3-4倍的密度。我们看到,技术的突破正在为将来用超级可靠的电容取代昂贵而笨重、性能却不稳定的电动车电池扫清道路。更重要的是,这将从根本上解决传统电池性能随时间推移而降低的缺陷,以及长时间不使用电池就会退化的问题。最终,电动汽车将可以直接与内燃机竞争,行驶成本只有后者几分之一——100公里仅1欧元。

加州大学洛杉矶分校的团队还成功地克服了一个重大挑战:石墨烯的实际生产。他们是如何把它剥离出来的?理查德?凯恩和同事们使用的是用于烧制DVD的普通光驱激光。先把DVD用一层石墨氧化膜覆盖,然后用激光“轰击”它,得到石墨烯,被称作LSG(激光刻石墨烯)研究人员希望有朝一日,能够将石墨烯“打印”在报纸这样的材料上。但路还很长。当然,不管是胶带还是激光,显然都无法让石墨烯量产。然而,进展不容否认。2004年安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫剥离的石墨烯,人们根本无法用肉眼看到,但在2014年,三星电子已经成功向世界展示了一个直径为76厘米的石墨烯圆片。

石墨烯 vs.硅

在一个由硅材料统治了几十年的电子世界里,石墨烯的命运将如何?可以肯定的是它可以被用来做为冷却剂。瑞典查尔莫斯科技学院(Chalmers Institute of Technology)的刘约翰(Johan Liu)教授解释说,“电脑中最热的部位是微处理器,温度可以达到55到115摄氏度(160-240°F )。利用一层石墨烯,我们平均可以把温度降低13°C (55°F)。 你要知道,区区10°C的工作温度提高,就可以让电子设备寿命减少一半。而一个数据中心所消耗的能源当中,有一半都是用于设备冷却的。所以,石墨烯材料将极大地提高能效。进而,未来的芯片、微处理器以及晶体管将以更快的速度运行,同时不会发热。我们正在接近传说中的‘冷计算机!’”

支持者认为,石墨烯会让手机变得越来越薄,从而能和纸甚至织物结合使用。由于其结构简单,也可以做成透明屏幕放在墙上、窗户甚至眼镜上。简而言之,电子设备将不会再由工厂“制造”。由于变得超薄,它们可以被简单地“打印”出来。人们已经可以想象电子纸张和可折叠的通讯设备!顺便说一句,位于芝加哥的西北大学研究学者已经开发出一种超导石墨烯墨水,从而让这样的通讯设备成为可能。然而,一个重要挑战依然没有解决,那就是如何在印刷之后依然保持墨水的导电性。

还有人建议将石墨烯用于海水淡化过滤器。迄今为止,海水淡水依然非常昂贵——因为要消耗大量的能源。洛克希德?马丁公司(http://www.lockheedmartin.com)正在开发一种石墨烯过滤器,名为Perforene,它可以彻底改变反渗透海水淡化。Perforene的厚度仅为目前市场上最好的过滤器的1/500 —过滤膜比它要过滤的原子还薄!至于能量和过滤盐分所需的压力,则仅是其他过滤器的1/100。

石墨烯是目前所发现的二维材料(2D material)中最为人所熟知的,但却不是唯一。在全世界范围内,人们正在研究十几种二维材料。它们表现出互补性,通过与石墨烯相结合,让功能更加多样性。例如氮化硼,也只有一个原子厚,但不同于石墨烯,它是绝缘体,而且是最有效的绝缘体。而只有三个原子厚的二氧化钼,则是比硅更轻更坚固的半导体。在曼彻斯特大学康斯坦丁?诺沃肖洛夫的实验室,人们将高导电性的石墨烯与过渡性金属二硫化物相结合,用于吸收日光并转化成电能。

期待“一盆冷水”

正如所料,“石墨烯热”及它吸引到的资金,已经引起了科学界的强烈抵制。有人指出,这种碳原子结构的现实表现常常让人失望。就像在20世纪80年代备受吹捧的富勒烯,以及在1990年代引发极大热议的碳纳米管(卷曲石墨片),至今都没有真正意义上的商业化。

这是事实,石墨烯还没有发挥出颠覆现有电子产品的真正威力。从目前来看,行业巨头将不得不继续使用硅,因为石墨烯的缺点还无法克服:石墨烯器件的输出频率时常不能令人满意;它不是半导体,导电带也没有好到能独立承担晶体管的工作,而晶体管是所有电子产品的基本元件。在这样一个标志性的市场里,石墨烯最终也许只能占据一个细分领域,比如高频电子元件。

诺沃肖洛夫教授本人也承认:这股热潮已经走得太远了。他认为,新材料要取代常用材料,除非能证明它的应用具有足够的竞争力,以弥补这种转换所带来的成本和不便。简而言之,石墨烯的未来取决于围绕它进行的具体的应用开发。这实际上是一个工业文化问题。巴黎综合理工大学工程学院的Mark Goerbig教授解释说,“要培训工程师去习惯使用石墨烯,还要整整一代人的时间。”而且,根据这位研究者,硅的使用还没有达到摩尔定律上的效率极限,就算是石墨烯绝对有能力在将来的某个时候超越硅,但究竟是什么时间,还无法断言。

经济性是一个难题。2013年,生产1克石墨烯的成本是800美元,这意味着距离硅及其衍生品退出舞台还有很长日子。尤其是考虑到除了生产困难,它还有危害性需要对付。当一种材料只有一个原子厚时,对它的任何操作都可能改变它的结构。此外,当几种不同的纳米材料被放在一起,随意融合,没有人知道后果究竟是什么。特别地,任何其他溶剂的添加,都有可能影响到石墨烯的导电性。

因此,与其他纳米材料一样,石墨烯也引发了人们的担忧。据位于罗德岛的布朗大学进行的研究,石墨烯的尖锐边缘可能会刺穿身体细胞,让物质进入并破坏细胞功能。研究人员认为纳米毒性危害非常现实:可以穿透细胞深达10微米。所以,当我们要创建基于石墨烯的人工视网膜,诸如此类,问题就会出现。

而针对它的另一重要属性——非凡的强度,同样有质疑。位于得克萨斯州的莱斯大学的一项研究发现,在石墨烯“薄片”的边缘,六边形的碳原子结构会退化为五边形和七边形,从而导致强度下降。一个最轻微的缺口就可能导致整个薄片开裂,就像挡风玻璃那样。

石墨烯的地缘政治学又是什么?虽然最初的突破来自于英国的曼彻斯特,欧洲现在却落在了后面。到2012年第四季度,有关石墨烯的专利申请,中国有2204件,美国是1754件,而韩国是1160件,英国只有54件。2013年1月,欧洲委会推出了石墨烯项目,预算巨大:十年10亿美元。其目标是:发展石墨烯的产业应用,并壮大二维材料的家族。该项目由来自17个国家的74个学术和产业合作伙伴组成的共同体领导。126家研究机构(包括5个法国实验室)将共同致力于11个方向:材料、健康和环境、石墨烯基础研究、二维材料、高频电子、光电、自旋电子学、传感器、柔性电子产品、能源应用、纳米复合材料以及制造技术。

巨大的兴奋背后,我们应该保持清醒的是什么?首先是这样的颠覆所带来的基础研究挑战:这种材料被分离出来还不到10年,它的物理属性还需进一步彻底探究,它为很多领域提供的巨大可能性也需进一步探讨;其二,虽然批量生产(想想石棉)的潜在危害是一个值得严肃考虑的事情,但现在看来,关键产业部门如光伏、电脑元件和电动车电池,石墨烯带来的技术突破将彻底改变游戏规则和结果。下一阶段,进行工业化量产——实当慎之又慎。