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機(jī)械社區(qū)

標(biāo)題: 從富勒烯到石墨烯,怪異的中國式創(chuàng)新 [打印本頁]

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作者: albert.tang    時間: 2016-10-28 13:05
標(biāo)題: 從富勒烯到石墨烯,怪異的中國式創(chuàng)新
導(dǎo)讀：國內(nèi)對新技術(shù)的理解和開發(fā)，速度驚人。但是有時候一些問題不由得讓人擔(dān)心。
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) v6 i/ S- f; u3 B如果材料本身有意識，所有的材料一定都嫉妒石墨烯。這家伙紅得發(fā)紫，是當(dāng)下材料領(lǐng)域最耀眼的明星。
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細(xì)想下來，我在材料科學(xué)這個領(lǐng)域居然混了將近20年了。96年是國家863成果10周年成果展覽，想起當(dāng)時的盛況，恍如昨日。
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: ~! \( l& H' s8 x如果說那一年最耀眼的材料明星是誰，當(dāng)之無愧的是富勒烯。
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- P" v8 ~+ i( c) |不知道是偶然還是必然，20年，人們對功能材料的最前沿的探索居然都集中在碳這個最常見的家伙身上。這2個家伙的境遇和經(jīng)歷有著驚人的相似。都是單質(zhì)碳的不同表現(xiàn)形式；都是諾獎的成果；都是集萬千寵愛與一身。不同的是，富勒烯的結(jié)構(gòu)在自然界不存在，是人用高的能量制備出來的，成為碳在自然界的第三種存在形式；石墨烯的結(jié)構(gòu)本來就有，只不過是將石墨的片層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分離到單層結(jié)構(gòu)而已。

更加詭異的是，這2個東西居然都被人們寄予數(shù)不清的期望：儲能，超導(dǎo)，光電，信息存儲，從新能源到生物醫(yī)藥，其跨界之大簡直無出其右，似乎這個東西可以解決人類所有的問題。

- l4 o2 t* s8 h2 n% X富勒烯從問世以來，研究其合成，改性和應(yīng)用的論文汗牛充棟。到今天，以富勒烯為基礎(chǔ)的應(yīng)用成果在哪里？環(huán)顧四周，我們茫然不知。

石墨烯的今天，與富勒烯何其相似乃爾！
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) y! ?2 A0 H2 z( @. ]$ ?2 Q" s' w目前最靠譜的似乎是在新型的電池中，更確切的說實(shí)在新型超級電容器中的應(yīng)用研究。但是，似乎人們或有意或無意的都回避了一個問題，石墨烯的批量制造問題。這個與納米材料的狀況很接近。石墨烯的很多特別性能都是建立在其單層結(jié)構(gòu)上。但是批量獲得一個原子厚度的石墨單層在未來的幾年我看不到希望。最終很可能走向這樣的結(jié)果：像當(dāng)年的納米材料一樣，我們對石墨烯的制造會漸漸淪為比較薄的石墨片狀結(jié)構(gòu)，至于到底是單層還是幾十層或者更多，天知道！（納米材料的批量制造技術(shù)就是如此，我們很快就將納米材料的制造技術(shù)降低到如何將尺寸做到100納米下，至于納米材料最基本的要求，即對其微觀結(jié)構(gòu)的排列，誰去管他！）不得不承認(rèn)，我們在對新興技術(shù)的庸俗化方面的本事的確不小。
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國內(nèi)的對新技術(shù)的理解和開發(fā)，速度驚人。但是有時候一些問題不由得讓人擔(dān)心。
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- a: x4 _5 F9 Z* m' @8 I  m7 t5 |江蘇已經(jīng)出現(xiàn)了一大批用石墨烯為名頭的企業(yè)。我都不知道在石墨烯的批量制造還沒有影子的情況下，他們拿什么去銷售。但是，人家就是有本事每年將石墨烯銷售了幾千萬甚至更多。據(jù)說主要用于LED的散熱。用腳趾頭也能想得到，他們的所謂的石墨烯其實(shí)就是石墨（這個東西本來即使片狀結(jié)構(gòu)，本來就可以導(dǎo)熱和導(dǎo)電）。無非是利用一個噱頭增加銷售，獲得國家經(jīng)費(fèi)支持。這種做法對石墨烯的未來開發(fā)到底是好是壞，目前不得而知。好處是，企業(yè)用這種方法是石墨烯在市場推廣方面先混一個臉熟，真的技術(shù)突破了，大家只會驚喜大大的。也就是賺足了吆喝，造足了聲勢，降低了未來的市場接受難度。壞處就是怕一群混蛋攪渾了一池春水，壞了名聲。以后即使真的有了好的石墨烯技術(shù)，在資本市場和產(chǎn)品市場也沒那么吸引眼球了。那樣的話，對那些辛辛苦苦從事石墨烯的開發(fā)的機(jī)構(gòu)來說，絕對是災(zāi)難。

我暗自祈禱（盡管我不知道向誰祈禱，我不信任何神），石墨烯不要走了富勒烯的老路。
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批量制造單層石墨烯從09年開始就不是什么難題
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就是在銅箔基底上化學(xué)氣相沉積。現(xiàn)在國內(nèi)賣化學(xué)氣相沉積做單層石墨烯的爐子的廠商都一堆了。而且買石墨烯做下游正經(jīng)的應(yīng)用肯定要做拉曼光譜表征，這是最基本的質(zhì)量控制，沒有人如你所說的這么傻。拉曼光譜很容易分辨石墨烯是單層還是多層，而且拉曼光譜儀早就被國內(nèi)廠商給白菜化了
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5 }& X' M3 d0 s$ Z你怎么能用過時的錯誤的信息來誤導(dǎo)不了解內(nèi)情的讀者

批量制造單層石墨烯至今仍是難題

雖然CVD以及各種變種CVD在單層石墨烯制備方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，最近已經(jīng)可以制造厘米級的單層石墨烯單晶。但是從工業(yè)制造或者商品化制造的角度來說，批量制造石墨烯仍然存在巨大的困難。

困難1：
( K% f" g4 @; R' N5 ^: O+ O
/ X; J0 A; E2 s6 I+ X$ T6 v高品質(zhì)單層石墨烯的制備規(guī)模，受限于CVD設(shè)備的腔體尺寸。現(xiàn)有CVD方法還不能實(shí)現(xiàn)單層石墨烯的連續(xù)制備。雖然日本人展示過所謂的長達(dá)100米的石墨烯，但是材料表面破洞很多，完全不堪使用。CVD石墨烯的連續(xù)制備技術(shù)以及產(chǎn)品良率問題，目前都還沒有解決好。

困難2：

( d5 o7 S) M; M高質(zhì)量的石墨烯轉(zhuǎn)移方法，常用的濕法刻蝕轉(zhuǎn)移，往往帶來褶皺、雜質(zhì)、破損等問題，難以實(shí)現(xiàn)大批量的轉(zhuǎn)移；多年前韓國人搞的輥對輥技術(shù)，根據(jù)國內(nèi)一些廠商的實(shí)踐表明，存在很多細(xì)微但是難以解決的問題，也不堪使用。
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7 N& ]2 k) V: V8 W, t: n困難3：
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2 \) ^& w# j  W& T& d9 \( c, M困難1和困難2的結(jié)合，即實(shí)現(xiàn)CVD石墨烯的連續(xù)化制備和轉(zhuǎn)移，兩者匹配對接，形成自動化的生產(chǎn)技術(shù)，這在前兩個困難沒有解決的情況下是沒有啥出路的。

0 J' C' e' d. V& Y3 g  r; G; V8 ]+ J困難4：

即使解決了上述三個困難，石墨烯面對現(xiàn)有的一些技術(shù)并不存在多少優(yōu)勢，比如ITO，比如碳納米管膜，比如納米銀線。。石墨烯面臨強(qiáng)勁的競爭對手，能否勝出還很難說。

困難5：
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即使石墨烯連困難4也解決了，還有個商業(yè)角度的困難：為了干掉ITO，石墨烯售價必然不能高，于是乎產(chǎn)品的附加值太低，利潤率太低。
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8 E1 l8 c7 K+ o4 x4 h困難6：
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有些人借著石墨烯的名頭渾水摸魚、掛羊頭賣狗肉，敗壞行業(yè)的聲譽(yù)，摧殘行業(yè)的長遠(yuǎn)前景，令人憂慮。從兄臺的帖子來看，想必平時也看了些這方面的資料。殊不知石墨烯有關(guān)的新聞和會展，炒作風(fēng)氣過甚，不少已經(jīng)淪為資本運(yùn)作和股市操作所需的故事了。
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有此六難，樓主的說法其實(shí)并不為過。他的擔(dān)心在很多真正關(guān)心在意石墨烯發(fā)展的人的心里，也都有類似的擔(dān)心。尤其是困難6，令人無奈。
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兄臺此言深得我心

一些網(wǎng)友對某些技術(shù)成果的理解和我的一個曾經(jīng)的合伙人很像，聽風(fēng)就是雨。他們往往會把宣傳上的，理論上的以及理想狀態(tài)下的東西當(dāng)作實(shí)際存在的東西。可是事實(shí)上我們真正從事材料科學(xué)研究的人對此中苦真是不足為外人道。

一個蒙脫土的插層化合物，到現(xiàn)在都沒有真正被市場接受。

( V3 ~) o2 h+ T( r4 V, I! @) J9 y想石墨烯這樣的高表面能的東西要穩(wěn)定存在并使用談何容易？

, K$ |; ^9 l6 m6 W而行業(yè)內(nèi)的人士如果不是專心于后續(xù)的開發(fā)，而是熱衷于炒作概念，破環(huán)型開發(fā)技術(shù)資源，那么后果絕對是災(zāi)難性的。
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7 M! O! v9 R' v! C  W. j# d2 X有朋友提醒我說，不要忽視資本的逐利力量。

言外之意只要真的有好的技術(shù)，不愁沒人支持。但是這些人不知道的是，如何評價一個新技術(shù)，尤其是材料科學(xué)的技術(shù)，本身就是很不容易的事情，它需要很多的配套條件才可以。事實(shí)上，很多的材料科學(xué)技術(shù)成果，需要花一半的精力在后面的純粹應(yīng)用測試方面。這個工作室需要大量的投入的。沒有足夠的資本支持和下游應(yīng)用支持，基本是沒戲的。

! G3 z3 o# y, y6 m/ A0 \- {" S現(xiàn)在的商業(yè)石墨烯多是多層或單層石墨烯片

每片大小不固定，幾百微米到幾十納米都有，這個跟完全的單層石墨烯固然不同，但跟石墨也是不同的。用作電極的時候的確電子傳導(dǎo)性是不錯的。

$ o! R; D% S& H: s; r5 d至于富勒烯，富勒烯及其衍生物也是很好的電極材料，如PCBM，現(xiàn)在在太陽電池里很有用，雖然貴，但用量也不多。

炒作的時候夸張，但也不能走另一個極端，它們的確是有用的。

正常的現(xiàn)象不要太感慨了。
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4 L4 U( |/ Q# Q: d* a7 W) P一個表現(xiàn)出了極特殊，罕見的理化現(xiàn)象的材料自然是值得科學(xué)界興奮的。之后它能如何應(yīng)用，大規(guī)模生產(chǎn)，是否能商業(yè)化本來就是一個很漫長，充滿不確定性的過程。
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# r) b7 M9 m1 u, [9 b比如說鋁，從發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模制備化了50多年，再到真正應(yīng)用到日常生活又是幾十年，到成為最常見和重要的金屬又是幾十年。
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) n6 J  }' j, S* M2 B說到富勒烯，樓下提碳納米管一定不知道碳納米管也可以算富勒烯的一種。而他們在生物醫(yī)學(xué)界的運(yùn)用也在逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，25年很長么？

4 [4 T- p% Q4 l3 p3 F至于石墨烯，假的是很多，單真的也不少。常州那個50噸是比較實(shí)在的，單層制備也不存在難度，也有不少產(chǎn)品。更不用說石墨烯粉了。至于說啥時候能在身邊看見，25年真不長。
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20年前我的本科論文就是OLED材料，可惜我沒那個耐心做下去，而且做下去九成九也是個死，但這真是太正常了。至于期望和現(xiàn)實(shí)的落差，不是永恒，普遍地存在么？比如照片，婚姻還有共產(chǎn)主義接班人。
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; ^% P/ ]$ v) a- R+ `" |現(xiàn)在是鈣鈦礦
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最近Science陳煒的文章，稱已初步綜合解決幾大難題

即不穩(wěn)定性、滯后效應(yīng)、大面積制備(>1cm2），此工作掛了韓禮元和G神的雙重名頭，在1平方厘米實(shí)現(xiàn)了18%的穩(wěn)定效率，看上去不錯，據(jù)說已有風(fēng)投意向了，去他們那里工作一把鍍鍍金，沒準(zhǔn)有機(jī)會弄到原始股……
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鈣鈦礦（主要指的是有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦MAX3）這個材料很有意思，電子和空穴都能很好的傳導(dǎo)，和石墨烯這種只傳導(dǎo)電子的不同，而且它的晶界和傳統(tǒng)的硅電池不同，不但不是電流消耗區(qū)，反而是增強(qiáng)區(qū)。自從12年G神那篇文章出來，一開始大家主要是想方法做效率，去年自從那次廈門會議以后，這一年有不少組在努力做機(jī)理了，出來了不少有意義的結(jié)果，現(xiàn)在20.6%的最高效率也是眾人努力的成果，希望明年我的組也能攻克瓶頸，呵呵……。
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確認(rèn)一下！“鈣鈦礦（主要指的是有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦MAX3）這個材料很有意思，電子和空穴都能很好的傳導(dǎo)，和石墨烯這種只傳導(dǎo)電子的不同，”這段確定無誤？今天我們還在討論石墨烯作為雙極性零帶隙半導(dǎo)體的特殊性呢。
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$ V/ q- H8 [8 Z) j; Z1 l那就奇怪了，如果是這樣的話就不應(yīng)該用石墨烯做上電極了

n-i-p結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池里上電極必須傳導(dǎo)空穴而隔絕電子，下電極相反，否則電子和空穴容易復(fù)合。石墨烯作空穴傳導(dǎo)材料我還沒聽說過，所謂石墨烯的雙極性零帶隙應(yīng)該是各向異性的吧？通常說石墨烯電子傳導(dǎo)優(yōu)異是指的其水平方向電子有效質(zhì)量接近于零，零帶隙也是這個方向，垂直方向是有勢壘的，帶隙怎么可能為零？而空穴傳導(dǎo)的話，水平方向的空穴有效質(zhì)量應(yīng)該不小吧？也許是指的其垂直方向可以傳導(dǎo)空穴？鈣鈦礦可以傳導(dǎo)空穴是與其框架結(jié)構(gòu)有關(guān)的，石墨烯可能也應(yīng)如此。

3 Q% y5 Z( j: O3 T" |2 ^材料領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的突破，往往和特殊歷史環(huán)境匹配的。比如戰(zhàn)爭和冷戰(zhàn)，那時候是不計較成本尋找突破再突破，然后才有了各種應(yīng)用的嘗試。
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我擔(dān)心的就在于此。
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材料科學(xué)的突破是依賴于很多匹配條件的。也就是說，其實(shí)他的成果的推廣是有一定的困難性和脆弱性的。
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破壞性的開發(fā)之后帶來的是資本對其興趣的缺失。這個就很討厭了。那時候即使有好的東西出來，缺少配套和匹配條件，也很容易夭折。
" J" @; @- r4 F# g# ~* ?就像現(xiàn)在，如果一個人發(fā)明了一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度減低納米粉體的表面團(tuán)聚和生長。這個時候如果他要融資或者申請經(jīng)費(fèi)，就面臨一個很尷尬的狀況，可能無人喝彩。
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換個角度，也許這種環(huán)境即將啟動或者已經(jīng)啟動了，原本我不該說這個。但是一些類似的事情，不惜代價在可能突破領(lǐng)域砸錢的事情正在發(fā)生，一些數(shù)字我知道后都覺得瘋狂。

“發(fā)明了一項(xiàng)技術(shù)”是“如果”，“無人喝彩”是可能你的前提條件太多了，知識分子嘛，往往想的太多擔(dān)心太多，所以有“杞人憂天”這個成語，從我們現(xiàn)在的角度看，他的思考其實(shí)完全是符合宇宙運(yùn)行規(guī)律的，但是值得去擔(dān)憂嗎？
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6 K5 d# ]; ^3 k( P1 x. S你還是低估了資本逐利的決心和勇氣，為了百分之百的利潤，他們可以冒上絞刑架的風(fēng)險。只要東西真的好，能來利潤，擔(dān)心沒人投資？資本家分分鐘拿錢砸死你。
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------------------------我是美麗的分割線，轉(zhuǎn)發(fā)自“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”-----------------------------

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作者: 所羅門_x    時間: 2016-10-28 15:22
還是那句老話，沒立項(xiàng)如何申請資金？官員的政績?nèi)绾误w現(xiàn)？學(xué)校，教授等如何提升知名度？一個項(xiàng)目牽扯的是一群人，所謂一人得道雞犬升天！如果不成功呢，反正是科學(xué)難題，誰又有本事證明咱們錯了？

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作者: 面壁深功    時間: 2016-10-28 16:21
富人烯也好，石人烯也罷，印象中，只要帶烯字音的幾乎都是珍品。

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作者: albert.tang    時間: 2016-10-28 18:02

面壁深功 發(fā)表于 2016-10-28 16:21
富人烯也好，石人烯也罷，印象中，只要帶烯字音的幾乎都是珍品。

; b  k! n& D# M* J* A6 h& A* ?物以“烯”為貴

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作者: albert.tang    時間: 2016-10-28 18:10

所羅門_x 發(fā)表于 2016-10-28 15:22
4 w+ C' }, z0 O1 A還是那句老話，沒立項(xiàng)如何申請資金？官員的政績?nèi)绾误w現(xiàn)？學(xué)校，教授等如何提升知名度？一個項(xiàng)目牽扯的是一 ...

. U* w4 I7 t/ f" Z7 z: @6 C就像當(dāng)年的納米被炒爛
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