2004年，兩位俄裔英籍科學家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質于一身，如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。
石墨烯用途非常廣泛，是一種被科學家寄于厚望的新型材料。在制造業，它不僅被運用在半導體芯片、光子傳感器、太陽能電池、柔性觸摸屏等領域，而且在光學方面上，石墨烯也有相當大的用途。
近日據國外媒報道，來自國外的部分研究機構發現，石墨烯這種材料擁有難以置信的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉化為波長更短、頻率更高的激光，持續時間為幾飛秒�？茖W家們表示，利用這個新發現，未來他們可以發明更耐高溫的激光發射武器（石墨烯超耐高溫）。
當然，這個發現目前僅存在于實驗室，如果科學家們建立出實體模型，將能夠增加激光發射器的使用壽命和發射功率。
6月21日，在香港舉行的“石墨烯時代21世紀的奇跡材料”產業化全球高端論壇上，諾貝爾物理學獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫爵士以一場妙趣橫生的講演，將聽眾帶入一個玄妙神奇的科技世界，令人對未來美好生活充滿遐想。
揭秘石墨烯的光學特性
在中科院強激光材料重點實驗室研究員王俊眼里，自己一直從事的、被稱為光學材料領域國際最前沿的科研領域里，“最新”和“前沿”不是緊盯的重點，王俊看重的，是石墨烯和碳納米管光子學研究中的“問題”。
“通過研究使還未得到解答的問題真正得以解決，是科研創新最大的意義。”王俊說，“這也是我們課題組一直秉承的信念。”
在石墨烯光子學領域，王俊首次從實驗上驗證了石墨烯的寬帶非線性光學特性。2009年，當時針對石墨烯光學性質的實驗研究只有一篇后來獲諾貝爾獎的Geim教授和Novoselov教授小組發表于Science的論文，而非線性光學性質研究還處于空白的狀況，王俊認為，其應用價值并未引起足夠重視。于是，王俊開始解決發現的這一“問題”。他對此的研究成果第一次從實驗上揭示了石墨烯優異的非線性光學性質，開創了石墨烯光子學性質及其應用研究的先河，為研究石墨烯及其衍生材料的非線性光學性質、以及開發石墨烯光子學器件提供了準確可靠的實驗依據和理論解釋。王俊的研究被業內稱贊為石墨烯光子學領域具有開拓性的工作之一。
如果只是去做別人沒做過的東西，王俊覺得不足以構成真正意義上的科研創新。他認為，創新更重要的是能夠通過研究解決一些重要問題。而這些問題往往是某領域研究通向應用的一個瓶頸，這才具有重要的創新意義。
王俊在石墨烯光子學領域的研究如此，在激光防護光子學領域的研究也是如此。
王俊深入地研究了一系列光功能材料的激光防護限幅應用，深入揭示了單壁碳納米管的非線性散射致光限幅效應。王俊的系統研究，進一步揭示了碳納米管光限幅效應的物理本源，以此提出了從根本上提高其非線性消光性能的解決方案，為基于碳納米管及其衍生功能材料的激光防護限幅器件的設計和開發，以及隨后石墨烯非線性光學的研究工作奠定了堅實的實驗和理論基礎。這些研究成果，對除碳納米材料外其他具有光散射致非線性消光效應的納米材料，如金、銀、合金納米結構、量子點等，都有重要的參考價值。
王俊說：“科研人員在創新研究中，不僅要發現問題，更要解決問題，并把結果公布出來，為大家服務，我覺得這個才是做科研的核心創新理念。”
王俊的話語和王俊的履歷，讓很多人想不到他其實只是一個“80后”。1979年11月出生的王俊，目前已經是中科院強激光材料重點實驗室研究員、博士生導師、兼重點實驗室主任助理，負責微納光功能材料學科建設。2010年12月，王俊由中國科學院上海光學精密機械研究所以“百人計劃”引進，2011年4月順利通過擇優支持。如今，王俊已成為國家首批“青年拔尖人才”、上海市“浦江人才”、上海市嘉定區“青年領軍人才”。今年2月，又擔任了上海市激光學會青年委員會主任。
在被追問到為何樂此不倦地沉浸于科研中時，王俊會“少年老成”地表示：“這個領域‘問題’太多，有時候也會力有不逮。但我們愿意為此而竭盡全力，因為我非常地喜歡這個領域，喜歡這些‘問題’。”
石墨烯產業有望形成萬億產值
石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導熱、導電性能。
為推動石墨烯產業化，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟日前在京成立。該聯盟由清華大學、中科院金屬研究所、北京現代華清材料科技發展中心等核心單位發起，聯合國內從事石墨烯研發、產業化的22家法人機構。聯盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業，基本囊括了國內石墨烯研發及產業化的主流單位。
作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結構、力學和電子性質，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。它是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。
分析認為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數百倍。其次，石墨烯有望引發觸摸屏和顯示器產品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動超級電容器發展，使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外，石墨烯因超強的光轉換能力，可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出鋼鐵數十倍的強度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領域將引發革命性的突破。
作為一種技術含量極高的碳材料，石墨烯在激光、半導體、光伏、鋰電池、光器件、航天、軍工、LED、觸控屏等領域都將帶來一次材料革命。由于售價高昂，石墨烯目前尚未產業化。有分析認為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實現產業化其產值至少在萬億以上。
中國產業優勢明顯
中國具有發展石墨烯產業得天獨厚的條件。數據顯示，我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產量占世界總產量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優勢的礦產之一。
論壇上，各科研單位專家和企業代表認為，石墨烯在我國的應用前景十分廣闊，現在行業正處于從技術向商業演變的關鍵時期。但從實際情況來看，成本和工藝問題的存在使得石墨烯短期內無法形成真正的商業規模，在應用領域來看，鋰電池和環保涂層材料有望是國內石墨烯應用領域未來的一大突破口。
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業內主要有四種制備方法，分別是機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業內多采用機械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。
中科院寧波材料所石墨烯研究團隊研究員周旭峰表示，目前國內對石墨烯的應用前景頗為看好，多個領域都準備躍躍欲試。但從實際情況來看，制造工藝不穩定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產業化最需要解決的問題，從制造工藝來看，目前業內的四種方法均有各自的優勢和缺陷，產業技術路徑仍在探討之中。周旭峰認為，由于產業鏈相對較短，環保和儲能領域有望成為率先實現石墨烯商用。
在相關政策扶持方面，工信部原材料司副司長高云虎表示，在編制新材料產業“十二五”發展規劃的時候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產業應用前景也并不明朗，因此在規劃文本、產品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點，但隨著技術和應用的突破，下一步會統籌研究并予以考慮。
產業化難題待破
業內專家指出，石墨烯目前整體主要還處在研發階段，制備石墨烯的技術工藝還不太成熟，而且成品面積相對較小，不能適應工業化應用。各國對于這個新興材料還處于一個專利布局期，整個產業鏈也還沒有形成。我國在石墨烯基礎研究方面已經十分突出。
有關研究顯示，截至2012年底，我國發表的石墨烯論文數量已經超過美國，名列世界首位，而且部分團隊的研究成果受到了世界各國的高度重視，被引用達數千次之多。飛速發展的還有我國的石墨烯專利數量，無論從專利受理數量，還是優先權專利數量來看，我國都是僅次于美國的世界第二大國。這意味著，一方面我國企業高度重視石墨烯技術開發并積極申請專利保護，另一方面也表明世界其他國家對我國石墨烯市場相當關注。
然而，在石墨烯產業化道路上存在諸多現實問題，一方面尚未具備規�；a能力，產品成本高；另一方面石墨烯還未真正形成下游的應用和需求。因此現在既要盡可能降低成本實現規�；a，又要盡快在產業化應用上實現突破。目前進行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數中小企業，研究力量比較分散，要盡快實現石墨烯產業化，必須通過技術創新和產學研協作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發、規�；聿母珊�、下游應用等全產業鏈環節的技術路線和公共科技服務平臺和測試平臺，通過全行業的共同努力，共同突破關鍵的技術難題以及在應用領域實現突破，并不斷提高技術水平和管理水平。
石墨烯產業聯盟的組建宗旨是為了整合協調產業資源；以推進低成本石墨烯及裝備的技術進步和產業化為目標，建立上下游、產學研信息、知識產權等資源共享機制；建立與政府溝通的渠道及人才培養、國際合作的平臺；推動標準、評價、質量檢測體系的建立，促進成員單位的自身發展，提升低成本石墨烯的整體競爭力，從而達到推動石墨烯產業發展的目的。
石墨烯作為ITO導電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業高度關注。石墨烯技術可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機等智能終端的產業鏈太長，產品的成形需要電路板、機身材料等整個供應鏈的配合。理論上講這些東西在實驗室內已經可以實現，但要商用還需要一定的時間，不僅因為成本離譜，良率問題也很不樂觀。業內人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發資源，原計劃在今年要推出一款類似的概念。(中國行業研究網)
石墨烯離產業化還有多遠？
“一年之前，我不敢說我的單層石墨烯已經規模化生產，但現在敢說了。”上海交通大學郭守武教授在臺下對記者如是說。
就在之前半小時，郭教授團隊實驗成果在臺上展示PPT時，受到了臺下企業界的追問，“我要5公斤，你能給我嗎？”“簽了合同，幾天就能給你。”“價格多少？”“我成本是0.5元/克，但這是郭老師幾年心血，他肯定不會以這個價賣給你。”
在國際上，單層石墨烯售價是2000元/克。
同樣是石墨烯制備者，中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問，“你9塊錢太貴了，你能做到1元/克嗎？”“當然可以。”“一兩毛錢呢？”“這是商業秘密。”
劉兆平團隊多層石墨烯(比單層制備更容易，成本更低)技術已經賣給了華南家族控股股東南江集團的兄弟單位。據悉，該技術產業化項目預計于11月投產，是全球首條30噸石墨烯生產線。
對于該項目產業化前景，劉兆平稱“關鍵看下游。”
中科院金屬所與金路集團簽訂了技術合作協議。該項目負責人任文才告訴記者，去年該項目已經完成了中試，隨時可以工業化，“關鍵看下游市場。”
石墨烯下游應用廣泛，如鋰電池、涂料、LED等。下游應用市場若沒有成熟，制備就難以量產。一家深圳公司2010年就開始賣石墨烯，但苦于應用市場沒有起來，銷量一直做不起來。
不過，石墨烯下游應用在部分領域可能率先突破。南京科孚納米技術有限公司蕭小月總經理透露，一位做散熱復合材料的海外客戶已經提出計劃，希望逐月實現每月四噸的供貨需求。
劉兆平認為，鋰電池、LED將有望成為國內最先利用石墨烯的下游行業。
不過，北京一企業試用了多家科研單位試驗室石墨烯產品，他認為，上游石墨烯品質并不穩定。
石墨烯產業鏈雖然沒有成熟，但投資熱潮已經顯現，劉兆平作為較早掌握該技術的科研人員對此感觸很深，他用“太狂熱了”來形容。
相關背景 石墨烯最新研究進展
深紫外激光PEEM系統在石墨烯表面研究
去年年底，大連物化所納米與界面催化研究組（502組）與北京大學化學與分子工程學院劉忠范-彭海琳課題組合作，利用本組新近研制的深紫外激光光電子發射顯微鏡（DUV-PEEM）和像差矯正低能電子顯微鏡（AC-LEEM）系統對調制攙雜制備的具有“馬賽克”結構石墨烯進行表面形貌和表面功函數研究，證實了利用化學氣相沉積法成功地實現了本征石墨烯區域和氮攙雜石墨烯區域的可控生長。
石墨烯在光電技術等領域有潛在的重要應用，而構建P-N結是實現許多光電器件應用的核心，因此構建石墨烯的光電功能器件必須在保證石墨烯質量的前提下實現高可控性和均一性的穩定摻雜。北京大學化學與分子工程學院劉忠范-彭海琳課題組根據材料生長中調制摻雜的原理，提出了具有高遷移率、摻雜區域可控的石墨烯的調制摻雜生長方法，實現了“馬賽克”結構的石墨烯P-N結材料的規模制備，并將其用于高性能光電轉換器件。
由于對石墨烯進行氮攙雜能夠有效降低表面功函數，其與本征石墨烯區域在PEEM成像中具有較大的襯度差異，因此PEEM可以作為一個有效的表面研究方法表征具有此類結構的石墨烯表面。
大連物化所納米與界面催化研究組前期已經利用深紫外激光PEEM系統在石墨烯的表面化學（Angew Chem Int Ed， 2012， 51， 4856； DOI： 10.1002/anie.201200413）和石墨烯表面結構（Nature Commun， 2012，3： 699； doi： 10.1038/ncomms1702）等研究方面取得系列進展。這次與北京大學化學與分子工程學院劉忠范-彭海琳課題組合作并有效地開展了石墨烯表面電子結構的研究。這些工作表明PEEM在固體表面的物理化學研究中將能夠發揮重要作用。
激光照射制造出超強功能的石墨烯電容器
近日，美國加州大學洛杉磯分校科學家Maher El-Kady領導的研究小組實現了一個突破，用簡單的激光通用設備制造出超強功能的石墨烯電容器。
研究人員先是精心制作了兩張氧化石墨薄膜，然后將它們分別放入普通DVD驅動器中，經驅動器激光照射后，它們被還原成了兩張石墨烯薄膜。這兩張石墨烯薄膜的導電性能很強（1738西門子/米），單位重量表面積很大（1520平方米/克），并且強度高、柔韌性好。將它們放入電解液中（多種電解液都適用），它們本身即成為電容器的兩極而被充電，在幾秒鐘的時間里存儲了超過普通手電用電池的電能。這種電容器重量輕、儲電量大、充電時間短、反復充放電1萬次不影響性能并且即使在高壓強下也能穩定放電，性能遠遠超過目前任何電化學電容器。
有專家評論說，如能將制造薄膜的成本降下來，石墨烯電容器和充電電池必將創造人類新的未來。
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