寻找石墨烯的不可替代性——访东华大学材料科学与工程学院副院长王宏志教授

文‖ 上海国资记者 陈怡璇

寻找石墨烯的不可替代性
——访东华大学材料科学与工程学院副院长王宏志教授

文‖ 上海国资记者 陈怡璇

真正制约石墨烯大规模产业化的原因不是成本，而是找到石墨烯具备不可替代特性的细分领域

2015年1月6日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料学院王宏志教授带领的先进功能材料研究团队，成功研制出智能可穿戴低维材料，即“基于折纸技术的石墨烯自折叠驱动装置”，该研究成果发表在《Science》子刊《Science Advances》杂志。同日，国际两大权威学术杂志《Nature》、《Science》网站着重报道了该项研究成果，国际学界给予高度评价。

“石墨烯是一个明星材料，但任何新型材料的应用必须要有相关产品方案的落地。就目前而言，号称‘全能选手’的石墨烯在已有产品领域还不具备明显的不可替代性和竞争优势，石墨烯产业链缺乏下游需求的对接。我们实验室则试图借助石墨烯柔性的特征，在未来智能服装和电子皮肤等领域打造石墨烯的不可替代性。”王宏志对《上海国资》表示。

石墨烯有什么作用？

《上海国资》：请介绍纤维材料改性国家重点实验室的团队情况？

王宏志：纤维材料改性国家重点实验室是1992年立项建设，作为国内纤维及纺织领域重要的国家级科研基地。目前实验室现有固定人员50余名，研究方向包括高性能纤维及复合材料研究、功能化纤维和低维材料研究、环境友好和生物纤维材料研究。

2005年我从日本回国之后便成立了目前所带领的课题组，即“先进功能材料课题组”，包括教师4名，博士硕士40多名学生。2009年课题组就已经开展石墨烯研究工作，而目前课题组中约三分之一人员在做石墨烯方面的研究。

《上海国资》：您所带领的课题组在对石墨烯研究方面经历了哪些阶段？

王宏志：在2010年安德烈获得诺贝尔奖之前，很多高校和研究机构均已设立各自实验室开展有关碳材料的研发，但多数人主要集中在单壁碳管和多壁碳管等领域，其中部分研究碳管的研究人员逐渐转而研究石墨烯，我们课题组也是转变较早的一批团队。

从2009年开始，我们一直关注的是石墨烯的微观研究，即把石墨烯分散在溶液之中，并不是把石墨烯制成宏观材料作为可单独呈现的研究对象。当时我们认为石墨烯仅是一种前沿材料，并不会有实体应用的出现。然而2012年，我们对石墨烯研究方式开始转变，这源于当年我前往参观常州江南石墨烯研究院所留下的深刻印象。

常州江南石墨烯研究院成立于2011年9月，已拥有两家上市公司，包括常州二维碳素材料科技有限责任公司和常州第六元素材料科技股份有限公司。2012年，江南石墨烯研究院已推出一些看得见的产品，例如它将石墨烯制作成透明导电膜、石墨烯三维泡沫等，用于触摸屏和环境吸附。

这意味着产品的实际应用已经很接近了，而不再停留在过去研究单片石墨烯或者石墨烯溶液中的基本物理化学性质。因此，我们从2012年开始大量投入人力研究石墨烯的应有构建。

从“全能选手”到“单项冠军”

《上海国资》：从诺奖颁布至今，资本对石墨烯趋之若鹜，但石墨烯依然没有大规模具体应用的出现，原因是什么？

王宏志：很多专家或许将其归结为石墨烯成本过高，但我认为并非如此，成本对科技成果的研发从来都不是问题。就像电脑芯片的研发过去也十分高昂，但现在已经可以进入每一个人的手机终端内。而且目前石墨烯材料已经很便宜，一些品种的石墨烯甚至几块钱就可以买到一克。由于石墨烯很轻，单层碳分子结构使其表面积很大，1克就能呈现很大的体积，而且未来石墨烯的生产成本将会继续下降。

实际上，真正制约石墨烯大规模产业化的原因不是成本，而是尚未找到石墨烯具备不可替代的细分领域。

《上海国资》：它与任何材料相比，都不具备显著优势？

王宏志：石墨烯在理论上具有非常高的导电、导热特性，也具有非常高的力学性能和光学透过率，这也是其能引起广泛关注的原因。但到目前为止，规模化制备的石墨烯的性能和理论值相比，仍有相当大的距离。有些人称石墨烯是万金油，哪儿都能用。但我认为石墨烯可能是“全能选手”，但在应用终端，到目前为止还不是“单项冠军”。从已有的应用尝试看，在多数细分领域石墨烯都有强劲的竞争对手。

例如，理论上石墨烯具有非常好的透明导电性能，但目前用石墨烯制备的透明导电膜的综合性能还不能和已经广泛应用的导电氧化物，如ITO和FTO相比，因此其应用受到了极大限制。

西班牙的一家公司宣布研制出的石墨烯聚合物电池充电八分钟可以行使1000公里，但并未见可靠的科学报道。石墨烯在储能领域的应用仍处在与传统碳材料的竞争中。

在散热领域，石墨烯需要找到发挥其优势的高端应用，而不是与现有材料拼成本。

尽管如此，还不能断言石墨烯在这些领域就没有了优势，事物都是发展的，石墨烯改性、以及基于石墨烯的构筑等研究也都在不断的进步中，在许多领域的优势也许还没有显现。

《上海国资》：您认为目前石墨烯最有可能具备发展前景的领域是什么？

王宏志：我们希望能找到独特的运用。石墨烯是典型的二维材料，天然具备柔性，这是石墨烯的特长。因此，我们希望与服装纺织相结合。从服用材料的发展演变看，从最初的兽皮、棉麻，直至18世纪人工合成化纤的出现，解决了棉麻产量不高的局限。我们一直在思考五十年后人类的服装将发生什么变化，大家产生的共识是智能服装。

例如冬天房屋内热，屋外寒冷，衣服频繁穿戴容易使人着凉，而且繁琐，能否找到一种材料可以使我们的衣服根据环境温度的变化自动进行温度调节，或许，石墨烯的加入可以发挥特殊的功效。因此，在纺织行业石墨烯最具发展前景的领域可能是智能服装，而不是普通衣物。在这类新兴的领域，目前很难找到同时具备柔性、导电、对多种刺激有感应的材料，与服装结合是一个方向。但只有寻找到石墨烯独特的功能和不可替代性时，市场才会打开。

此外，2014年我们实验室开展了石墨烯电子皮肤项目的相关研究，这种皮肤可用在机器人的皮肤传感上。例如，今年日本软银推出了人型家庭机器人，可与人类进行握手、拥抱等感情交流。另一方面，这种电子皮肤如果用于可穿戴产品上，将可以实现探测人体生命体征的功能，例如心跳、血压、汗液以及泪液中的蛋白等健康指标的检测。如果将这种电子皮肤贴于我们的皮肤上，可通过测量血液温度变化来了解血液含氧量；贴在大脑皮肤上，则可实时监测脑电波的变化，从而解决在不影响日常生活的情况下人体体征的实时监测的难题，为移动医疗的发展提供可行性的解决方案。

目前很多电子皮肤需要外接电源，但我们利用石墨烯优异的导电性能，不需要外界电源，在两层石墨烯之间增加一层压电层，其中充入聚合物，有外界压力的时候会产生电压，可以测量压力大小。

由于单片石墨烯具备透明、柔性、导电性的功能，未来亦可运用到柔性手机的手机膜上，即可弯曲手机。但目前配套可弯曲的电子产品较少，在已实现可弯曲的电子屏幕中，弯曲程度有限，且不可拉伸，利用石墨烯柔性的特点可以推动这类产品的更新。

《上海国资》：此次自折叠技术将对未来石墨烯产品的落地带来哪些影响？

王宏志：我们对石墨烯表面进行改性，让石墨烯薄膜的一面特别亲水，另一面疏水。通过控制纳米层间由温度或光控制的水分子的吸附与脱附，使石墨烯纸可以迅速（3秒以内）折叠成预设的形状。利用石墨烯片的褶皱和形变，可以设计多种致动器件。我们的这次成果直观展示了宏观层面上石墨烯的折叠性质，而被《Nature》称为是石墨烯单片折叠之路上的重要里程碑。

石墨烯可以根据外界光照和温度发生形变，也启发我们，石墨烯可运用到变形衣上，即衣服孔隙可以根据温度自行变化，温度较高时孔隙扩大，用于排汗；温度低时孔隙缩小，利于保暖，这在士兵、运动员、消防员等人群的服装上可能会有比较好的应用。

最后的成功属于坚持下来的企业

《上海国资》：国内各地石墨烯发展的阶段如何？

王宏志：目前很多专家研发石墨烯改性和构筑技术，且产业界和投资界对石墨烯引起的产业革新非常期待。但目前石墨烯的产业化大部分还停留在生产石墨烯粉体、售卖原材料的阶段，石墨烯产业链尚不完整，下游的需求也不确定。

但也不要因为目前石墨烯未能得到大规模使用而对其失去信心。石墨烯近几年才开始研发，功能开发尚不完全，这个材料具有独特的优点，只不过目前行业认识还不够深入，优良性能还未能全面展现，石墨烯不会永远停留在目前这种研发阶段。我们的工作就是尝试石墨烯应用的各种可能性，为今后产业化发展打通道路。

以液晶材料为例，1960年代就已经出现，企业也已经意识到可以用于显示屏，日本很多企业在60、70年代做液晶显示的研究，但只有夏普在1999年推出液晶电视，这意味着最后的成功属于坚持下来的企业。

《上海国资》：纤维改性国家重点实验室是如何将科研成果对接市场的？

王宏志：纤维材料改性国家重点实验室的研究可分为两类，即基础研究和应用研究，前者开展前瞻性研究，后者与企业对接，落实产品化，帮助企业解决问题。目前与企业已有非常多的合作，主要集中在浙江、江苏、福建等地区，产业化规模较大。从资金投入看，目前实验室主要由科技部、国家自然科学基金委以及上海市基础研发项目等的投入。

例如实验室在碳纤维、芳纶和高强高模聚乙烯纤维等三大高性能纤维研制中取得重大突破。其中高强高模聚乙烯纤维的成功研制使得我国成为继荷兰、美国之后，第三个能自主生产该纤维的国家，产品已应用在军队防弹装备、航天航空、海洋船舶等领域，并远销50多个国家，目前已在30余家企业实现产业化，产量占据全球30%。

再如，2010年上海世博会开幕式“小球矩阵”项目上，采用的就是重点实验室高强聚乙烯纤维绳索，营造出小球如凌空悬浮的特技效果。

对石墨烯进入大规模产品应用，我们坚信不疑。