可弯曲、可穿戴的智能手机,超低功耗、不伤眼的柔性电子纸,导电导热优异的电子器件……在中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心,一件件“未来感”十足的高科技样机炫人耳目。而它们背后,都有一种“神奇材料”——石墨烯做支撑。
全球首款量产的石墨烯触控屏手机。(图片由受访者提供)
石墨烯,一种由单层碳原子构成的片状结构碳材料,是目前已知的厚度最薄、强度最大、导电导热性最佳的纳米材料。自2004年发现以来,石墨烯就被科技界预言“将引发电子信息、新能源、生物医药、航天等领域的颠覆性创新和变革”。
“单层石墨烯只有0.34纳米厚,这是什么概念呢?一根头发丝直径一般在0.04毫米,相当于十万层石墨烯叠加起来。但它的强度比钢材高出百倍,且非常致密,最小的气体原子也无法穿透。同时,它只吸收2.3%的光,几乎完全透明。”中科院重庆研究院微纳研究中心主任史浩飞博士介绍说。
寄情于这种“神奇材料”,一群年轻科研人员近几年陆续汇聚重庆,致力于石墨烯材料应用研发。3年多时间,实现了从实验室到生产线,再到初步商业应用的“三级跳”,建立起国内外最大规模的大面积单层石墨烯薄膜生产线,推出全球首款量产的石墨烯触控屏手机。
“可以说,石墨烯走进现实生活的大门已经被推开。”带领大家一路参观的史浩飞稍稍停下脚步,将手中的直板“石墨烯手机”慢慢曲卷,戴上手腕。
追梦:实验室一小步,迈出石墨烯制备关键一步
走进重庆墨希科技公司展厅,一个展台的角落里静静躺着一块笔记本电脑大小的柔性透明板。“看起来有些粗糙,但可不要小瞧它。”工作人员介绍,板上覆盖着国内第一片大面积单层石墨烯薄膜。
时间回溯,2010年,荷兰和英国两位物理学家因首次制备出石墨烯并发现其非凡属性,被授予诺贝尔物理学奖。这一标志性事件随即引爆了全球对这种“超级材料”的研发竞逐。
正在筹建的中国科学院重庆研究院敏锐捕捉到这一科技前沿,将石墨烯纳入重点研究开发方向,并面向全球招揽人才。彼时,还在美国密歇根大学做微纳加工与新材料博士后研究的史浩飞,进入了院方视野。
“接到袁家虎院长的电话,我开了4小时的车赶去和他见面,聊了不到二小时就决定打包回国。”谈起与石墨烯开发结缘的过程,史浩飞回忆说,院领导提出,他可以牵头组建研发团队专攻石墨烯制备和应用研究,“当时感到‘幸福来得太突然’,工资待遇没提就决定‘加盟’了。”
李占成是项目组引进的第三位成员。在中国科技大学读博士期间,就专注于石墨烯材料研究,“一直对它的神奇性能感兴趣,电子迁移性、透光性、量子霍尔效应等都能很好体现。”毕业时,他放弃了高校教职,选择加入正在筹建的研究团队:“我总觉得,科学研究如果不能被应用到实际生活,就失去了价值。石墨烯应用正是我的兴奋点。”
越来越多志趣相投的年轻人聚拢过来,研发工作也迅速启动。“当时真有点儿‘白手起家’的味道。”李占成说,研究院那时刚刚组建,临时落脚在重庆近郊一处租赁厂房里,石墨烯团队分到一间不足100平方米的空房,“一切从零开始。仪器设备、试验材料、各种用具全靠大家自己跑腿置办;十几号人搞研讨、做试验、吃饭甚至睡觉都在里面。条件还不如大学实验室,但大伙儿干劲十足。”
要把石墨烯推向应用,制备出大面积石墨烯是基础和起点。考虑到未来与大部分电子终端匹配的需要,史浩飞决定把第一个目标定为15英寸石墨烯薄膜。
“大家都吓了一跳,认为不现实,因为当时国内一些一流实验室也只能做到厘米级。”史浩飞说,大面积制备存在两大难点,一是石墨烯生长的均匀性很难有效控制,二是面积增大后单原子层高效转移的挑战,把十英寸的石墨烯转移到另一个衬底上,相当于要把一层足球场大小的保鲜膜,平整地从一个足球场转移到另外一个足球场,难度之大超出想象,“但创新不就是挑战不可能吗?大家相互打气,很快达成了共识。”
没有先例可循,没有经验可学,失败成了家常便饭。“高温下生长石墨烯的铜箔经常与炉壁粘连,无法取出,勉强取出来,也不能用了。”李占成说,为解决这一个问题,整整花去两个多月时间,耗掉一大批铜材。石墨烯转移同样困难重重。“先后尝试了10多种方法,试验了20多种材料,最后找到一类特种高分子材料才勉强解决”。
经过半年多艰苦摸索,2012年底,一片完整的大尺寸石墨烯薄膜终于生成了。“大家高兴坏了,说终于成功了。”史浩飞回忆起当时的情景,但当他拿着材料兴冲冲给院长“报喜”时,院长马上“泼来一盆冷水”——原子层面的东西看不见摸不着,好比“皇帝的新衣”,你说是我可以说不是,即便某一个点位测试结果很好,也不能说明整片薄膜都好,能不能让人通过应用真切感受到它?
兴奋不已的科研团队冷静下来,经过近一个月的紧张工作,终于成功将整片石墨烯转移到了PET基底上,并研制出一块石墨烯柔性触摸屏。
2013年1月,中科院重庆研究院正式对外宣布:国内首片大面积——15英寸单层石墨烯薄膜诞生。消息一经发布,迅速吸引了国内外科技界的目光。史浩飞团队在实验室跨出的一小步,迈出了攻克石墨烯规模化制备关键技术的一大步。
转身:创新变创业,推开产业化大门
初冬时节,重庆高新区石墨烯产业园又迎来一批客人,其中包括中外石墨烯研究领域的多名顶尖专家。一条拥有世界领先技术、年产能100万平方米的石墨烯薄膜生产线,让参观者大开眼界。
实验室研发突破后,不到一年时间即实现大规模批量生产。曾让全球科技和产业界犯难的石墨烯规模化制备,缘何能在这里快速实现?
“除了研发团队努力钻研、拼搏,更关键在于机制创新的催化。”身兼中科院重庆研究院微纳中心主任、重庆墨希科技公司首席科学家和主要股东的史浩飞说。
史浩飞至今还清晰记得那个重要抉择。大尺寸石墨烯薄膜研制成功后,一道难题摆在团队和研究院领导面前——后续应用开发需投入大量资金,仅靠研究院很难支撑,但如果把技术成果一卖了之,应用开发就会失去基础土壤,“最后院长亲自拍板,决定走市场化运作的路子,引入民间资本相互借力,并对研发团队‘捆绑’激励。”
看好石墨烯产业前景的各路资本接踵而来。2013年,上海南江集团与中科院重庆研究院达成合作,成立重庆墨希科技有限公司。前者出资2亿多元用于技术转让、后续研发等;后者以知识产权入股,拥有墨希科技25%的股权。
中科院重庆研究院更是勇吃螃蟹,拿出研究院所占股权的一半,对石墨烯核心研发团队实施股权激励。10余名核心骨干人均可分得100万股以上,其他科研人员平均也将有近20万股。
“这让大家既兴奋又紧张。兴奋的是后续研发有了资金保障,自己也能分享产业化成果;紧张的是如果干不出来真没法交代。”史浩飞说。
创新者、创业者、所有者“三者合一”,如同“助燃剂”般点燃了科研团队的激情和干劲。2013年5月,大规模制备生产线启动选址,6月即采购设备、开工建设。厂房在建,开会场所都没有,一群年轻人就坐在台阶上讨论技术、研究工艺流程。生产线无先例可循,核心设备该是什么样谁也不知道,全靠他们自己设计。
直接从试验室干到了生产线。几十号人边做原理验证,边搞中试,边组装调试生产线。有时,计划赶不上变化。一台耗费上百万元、委托厂商定制的防毒防爆清洗机运进工厂后,才发现已经跟不上改进后的工艺流程,只好留待改造。
“那时才真正认识到科研和产业化完全不同。”研发团队骨干姜浩说,实验室研究主要看结果是否成立,不考虑成本和成品率;到了生产线,成品率、稳定性、成本控制直接决定生死。
几次试生产的结果并不理想。“良率低,稳定性也不好。但没一个人打退堂鼓,歇口气继续干。”姜浩记得,当时把所有生产人员也都动员起来找原因、做改进,“整个公司就像一个大实验室,整个生产线成了研发平台。”
经过近百名科研、生产人员起早贪黑,大大小小改进上百次后,一期生产线终于在2013年底投产,并一举成为国内外规模最大的石墨烯薄膜生产线。
“投产那天来了不少领导,鲜花、彩缎、赞誉和鼓励扑面而来,但我们很清醒:从科研到创业的万里长征,才刚刚起步。”姜浩说。
随后两年多时间里,团队聚焦高良率、高质量、低成本生产技术持续攻关。石墨烯薄膜生产装备的性能水平不断改善,生产工艺持续优化,制备成本直线下降。生产线从1.0代升级到2.0代,3.0代也即将投建。
“通过开发新工艺,石墨烯生长基材和转移材料全部实现国产替代。”姜浩介绍,第一代工艺需用进口铜箔,10米要投300元,新工艺改用国产铜箔,1公斤才100元;过去要用进口转移材料,A4纸大小一张胶带50元,自主开发的材料替代后不到1块钱。
目前,墨希科技公司每平方米石墨烯薄膜制备成本已从最初近2000元降至200元,产能从最初每天20片提升到上千片。
史浩飞说:“大面积规模化单层石墨烯薄膜制备,我们已经占据了领先地位”。
逐浪:拓荒应用,竞立潮头
“石墨烯不是黄金,它只是一种普通的原料,不出产品也不值钱。”近期在重庆举行的一场石墨烯应用高峰论坛上,中国工程院院士赵连城的一席话引发与会者强烈共鸣。置身会场的重庆墨希科技公司总裁王仲勋对此更深有感触。
石墨烯薄膜生产线投产前,墨希科技公司投资方曾做出研判,凭借优异的性能指标和独此一家的技术及产能,“做出来就是黄金万两”。然而,随着销售团队在目标市场频频碰壁,大家才意识到陷入了“产用断链”的尴尬境地,“满腔激情几乎降至冰点”。
“听过介绍、验过样品,厂商都说这个材料性能确实好,但就是没人敢大批量下单。”王仲勋说,石墨烯是一种全新材料,产业界对它并不了解;又是一种基础材料,应用需要产业链上下游协同匹配。
面对市场的“当头棒喝”,墨希科技公司和科研团队迅速冷静下来,经过周密的市场调研和产业链推演,及时调整了前进战略。
“我们不仅要制备出高品质、低成本的石墨烯材料,还要向大家证明石墨烯真能用、真好用。”王仲勋介绍,最终确定“材(料)要成器(件),器(件)成系统,系统成终端”,将战略重点向可深度应用的产品开发延伸,最终撬动石墨烯全面商用。
“应用拓荒”之路由此开启。他们首先把目光投向柔性触控和石墨烯智能手机。“手机等智能终端,无论当下还是今后市场都极为广阔,但在轻量化、显示度、蓄能、散热等方面一直存在诸多痛点,石墨烯正好有用武之地。”史浩飞说,他们把做一款“可卷曲的石墨烯手机”作为下一个大目标,“当时设想,触摸屏由石墨烯薄膜制成,超高透光率,色彩还原真实;电池加入石墨烯材料,寿命提高50%以上;使用石墨烯导热膜,解决手机发烫等问题……最终实现整机可曲卷、可穿戴。”
2015年3月,目标的第一步达成——首批量产石墨烯元素手机发布,这款外观与普通智能机无异的手机,采用石墨烯触摸屏导电薄膜、石墨烯导热膜等一系列石墨烯材料,灵敏度、显示度和续航能力显著提升。
今年5月,在第十二届重庆高新技术成果交易会上,墨希科技公司正式推出“全球首款石墨烯柔性屏手机”,立即吸引了国内外业界人士目光。这款手机外观类似卷轴或手表,既可以在直板形态下使用,也可以弯曲起来佩戴在手腕上。黑白两色版本的即将上市,彩色版本预计将于2018年量产。一位专家谈到试用感受时说“从技术验证角度看,样机成果足够令人振奋”。
与此同时,墨希科技今年还相继推出石墨烯电子纸、石墨烯电子书等一系列创新产品,并逐步打开了细分领域市场。
“坦率地讲,整个石墨烯应用还处在刚迈出脚、跨进门的初级阶段。”史浩飞说,但我国在石墨烯研发、应用上具有独特优势,前途必定光明,“以石墨烯显示开发为例,欧美一些研究机构可能在试验室阶段比我们成熟,但走向产业应用就没我们快了。因为世界电子、智能终端制造大部分在中国。完整、强大的产业体系,能发挥出其他国家难以匹敌的应用牵引力。”
史浩飞透露,产业界和政府对石墨烯研发应用也越来越关注,国家科技计划和工业创新项目都给予大力支持,墨希科技就获得了国家863计划首个石墨烯领域项目支持,并中标“工业转型升级强基工程”,“国家石墨烯创新中心目前正在筹建,工信部也多次组织产业界龙头企业来搞应用对接。”
最近的一件小事,也让伙伴们感到兴奋。在一次石墨烯国际论坛上,史浩飞见到了英国曼彻斯特大学教授康斯坦丁˙诺沃肖洛夫——因发现石墨烯而获得诺奖的物理学家之一,并赠送给他最新研发的石墨烯手机。“他非常赞赏,并坚持要付款再购买两台。”史浩飞说,“这对我们是极大的鼓舞。石墨烯应用开发浪潮日益高涨,希望能追逐潮头,推动产业变革早日到来。”
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原标题：追梦“烯”望之路,三年“三级跳”
