“碳时代”悄然来临 “碳”生活真美好

7月29日,为期5天的2011年世界碳科学大会在华东理工大学落下帷幕。这是继2002年我国首次举办世界碳科学大会后,时隔九年,这一全球碳科学研究领域的顶级学术会议再次来到中国。

据了解,这是历届大会中参加国家最广、参会者最多、影响力最大的一次盛会。几乎所有国家碳素学会主席和国内外知名学者云集一堂,围绕石墨烯、纳米材料、复合材料、低碳环保、食品安全和新能源材料等研究热点及发展趋势深入交流。

与此相呼应的是,进入新千年以来,全球碳科学领域风生水起,我国炭材料事业也获得了迅猛发展。人类正广泛利用碳的奇妙性能,拓展无可限量的前景。有专家预言,19世纪是铁器时代,20世纪是硅的时代,21世纪极有可能是碳的时代!

古老而不断创新的炭材料

从上世纪八十年代的富勒烯的发现,到随后的一维纳米碳管,再到2010年二维石墨烯的分离、认定和分类,短短30年间,炭材料两夺诺贝尔奖,由此掀起了世界范围内的炭材料研究和发展浪潮。

就在2011年世界碳会召开前日,“石墨烯之父”英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫宣布了又一个激动人心的发现——在“神奇材料”石墨烯中,电子能像光子那样高速运动,其速度是在硅中的数十倍。

这是石墨烯迈向实际应用的“巨大跃进”。很多人认为,石墨烯这种迄今最薄、同时也是最坚硬的材料,可能将取代硅成为未来的电子元件材料,在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。

或许没有一种元素像碳这般神奇——作为单一的元素,却可以形成许许多多结构和性质完全不同的物质。最硬和最软,全吸光和全透光,绝缘体和导体……完全对立的性质都在它的身上自然统一。

大会主席之一、华东理工大学特聘教授凌立成告诉记者,早在远古时代,人类就已经开始制备和利用炭材料。2000多年前,我国就知道木炭具有吸附防腐的功效。炭材料在几千年中华文明史中发挥了重要作用,如墨汁的使用,铸铁里石墨的形态控制等。然而,直到公元18世纪,人们才逐渐认识到,碳是一种元素,开始有意识地创造和制备炭材料。

进入20世纪,世界范围内工业和军事的发展,使炭材料得到快速发展,如钢铁冶炼中使用耐火材料和石墨电极,橡胶轮胎中添加炭黑材料,防毒面具中使用活性炭,特别是上世纪六七十年代发展起来的碳纤维、金刚石薄膜、核石墨等,使炭材料在世界范围内成为一门重要学科。

“炭材料作为一门古老又不断创新的科学,一直在提高、改善人民的生活质量中发挥着重要作用。”凌立成认为,鉴于碳的性能独特、形态众多、资源丰足,不锈不蚀、易于回收循环和转化等特点,今后其开发速度必将加快,新型炭材料将更为成熟。

“碳让生活更美好”

从航天航空到国防军工,从钢铁工业到建筑工业,从核工业到新能源,从环境修复到医疗保健、食品安全……2011年世界碳科学大会上,除了碳科学最新理论,各种核心炭材料技术与应用型研究成果也集中亮相。

这也正是对本次大会的主题——“碳让生活更美好”的诠释。凌立成说,碳科学已不再神秘,它正一步步走进寻常百姓家,走到我们身边。

亮相上海世博园区的世博超级电容车,新能源汽车动力系统使用的锂电子电池,都离不开炭材料的大显神通;波音787机体结构的50%都使用更轻、更坚固的碳纤维合成材料,我国自主研发的商飞C919未来将进一步将碳纤维复合材料的比例提高到40%……

核石墨,因具有各向同性、耐辐射损伤、价格低廉等特性,成为核生产堆、气冷堆和高温气冷堆的关键材料。今年初爆发的福岛核电站危机令世界对于核辐射格外关注,而在核反应堆的外围用以阻止核辐射的装置,炭材料亦有用武之地;建筑工业方面,可以使用碳纤维布加固修复混凝土结构,不需要增加螺栓和铆钉,施工工艺更加简便……

与会专家表示,新型炭材料正在替代金属等材料满足环境、安全和能源的要求,需求量呈现快速上升趋势。来自德国碳复合材料管理委员会的休伯特·亨特在会上展示了碳的广阔未来。他认为,学术和工业的密切合作是未来炭材料取得成功的先决条件。传统材料的市场依然在增长,它们创造的利润为新型炭材料的发展提供了经济后盾。新兴碳工业将展现出更强的竞争力。

中科院山西煤化所首席研究员吕春祥认为,经过近十年的快速发展,我国的碳科学取得了很大进步,焦炭、活性炭等技术比较成熟,碳纳米管和石墨烯的研究正逐步逼近国际水平,但在碳纤维等领域和世界先进水平相比仍有较大差距,希望越来越多的年青一代投身碳科学研究,让古老而神奇的炭材料展现出更大的魅力。