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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。
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