作者:陈波 来源:重庆日报 发布时间:2016/6/18 12:57:16
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石墨烯让人类窥探到二维世界的精彩
——专访中科院重庆绿色智能技术研究院研究员史浩飞

 

史浩飞事迹简介
 
史浩飞,中科院重庆绿色智能技术研究院研究员,微纳制造与系统集成研究中心主任,重庆墨希科技有限公司首席科学家。
 
近5年来主要从事石墨烯薄膜材料规模化制备与应用研究,带领团队突破了大面积单层石墨烯薄膜的制备工艺难关,建立了石墨烯薄膜生产线,并在石墨烯触控面板、智能传感、光电探测、柔性器件等领域开展了系统的应用研究。发表高水平学术论文40余篇,申请发明专利100余项,主持科技部863、工信部工业强基、国家自然基金、省部科技攻关等项目十余项,入选科技部中青年科技创新领军人才。
 
2004年,石墨烯被人类制备出来。2010年,石墨烯发现者获得诺贝尔物理学奖。诞生12年来,石墨烯的价值和意义在科学界、产业界甚至是哲学界不断引发论战,而真实的石墨烯却因其自身过于“高深莫测”,被阻隔于公众视野之外。
 
近日,本报记者专访石墨烯研究领域专家史浩飞,力图向公众还原一个真实的石墨烯。
 
任何新材料都不应被低估
 
石墨烯拥有诸多“世界之最”,理论上可应用于从能源化工、电子信息到太空探索的各个领域
 
重庆日报:石墨烯作为一种新材料在世界范围内广受关注,其在中国的迅猛发展还引起了一些争议,有人认为石墨烯的作用和前景被夸大了,甚至出现了诸如“科学骗局”的说法。作为长期关注、研究石墨烯的专家,您对此如何看待?
 
史浩飞:我知道你所说的争议。其实,争议的存在很大程度上缘于石墨烯本身复杂的特性。
 
一方面,石墨烯具有迄今人类所发现的最薄、强度最大、导电性最强、导热性最好等诸多“世界之最”。这意味着这种材料理论上可应用于从能源化工、电子信息到太空探索的各个领域。
 
另一方面,这些看似无往而不利的性能,目前多数仍停留在微观层面,难以应用于现实生活。
 
这就好比石墨烯的力学强度虽比钢材高上百倍,但目前甚至没法用它打造出一把菜刀来。原因在于它就是石墨的一个片层,厚度只有一个原子大小。假如简单叠加石墨烯,那只会使它重新变成松软的石墨。
 
但这并不代表在可预见的将来,人类不能将石墨烯与钢铁结合,打造出一把真正意义上的“超级菜刀”来。任何新材料的“潜能”都不应被低估。
 
未来或深刻改变人类生活
 
比如,一旦石墨烯替代硅来制造超微型晶体管,未来的超级计算机会拥有难以想象的高速。那将是一场信息革命
 
重庆日报:石墨烯众多令世人惊艳的物理特性,目前只存在于无法触摸的微观世界,那它的应用前景又体现在哪里?会不会只是一种画饼充饥?
 
史浩飞:石墨烯的应用前景体现在很多方面,例如对硅材料的替代性上。
 
众所周知,现在是硅时代。依据摩尔定律,计算机芯片每18个月集成度翻番,价格减半。只是近年来,硅晶体管的特征尺寸已经缩小到10纳米以下,而硅材料的自然属性导致其运行速度和性能难以再有突破性发展。所以,才有双核、四核这些折衷方法。
 
但石墨烯带来了新的可能性,它良好的导电性使得电子在其中的速度可达光速的1/300,远超在一般导体中的运动速度。加上碳元素更高的电子迁移率,一旦石墨烯替代硅来制造超微型晶体管,未来的超级计算机会拥有难以想象的高速。
 
那将是一场信息革命。但人类仍有很长的路要走,在这一过程中面临一系列未知的挑战。
 
石墨烯是一种材料,而一种新材料的未来不只取决于其自身,更有赖于其他学科的进步。就像人类能用钢铁造船、造飞机,是得益于发动机的诞生、流体力学的成熟等等。
 
重庆日报:你认为石墨烯会像钢铁那样,有朝一日深刻改变人类生活?
 
史浩飞:为什么不?青铜、钢铁、塑料、硅等基础材料,都深刻改变了人类生活。起码我们不能排除这种可能性,科技工作者的使命就是推动这些美好的可能性变为现实。
 
石墨烯“打开了一扇窗”
 
我们所在的物质世界一直被认为是三维结构的,石墨烯的出现终结了这一认知
 
重庆日报:石墨烯的出现被认为具有革命性意义,还有其他什么原因吗?
 
史浩飞:我们所在的物质世界一直被认为是三维结构的,石墨烯的出现终结了这一认知。因为石墨烯是人类首次发现的二维结构材料。
 
这意味着什么?意味着人类对物质世界的认知,从三维层面转入了二维层面,这是颠覆性的一步。因为按照经典物理学理论,二维结构在自然界难以稳定存在。
 
事实上,从三维世界到二维世界,对哲学上的观念冲击最大,这涉及整个世界的存在形式和本源问题。
 
石墨烯“打开了一扇窗”,让人类窥探到二维世界的精彩。从这个角度说,石墨烯对整个人类的发展而言,都具有革命性意义。
 
重庆日报:我注意到您书架上有一本著名科幻小说《三体》,该书描述了一种名为“二向箔”的降维攻击武器,可使攻击目标由三维形态向二维形态“坍塌”。石墨烯打开了人类了解二维世界的窗口,那么,是否有一天这样的科幻场景会变成现实?
 
史浩飞:我无法预测那一天是否会出现,但石墨烯的确是我们在二维世界的第一种研究对象。
 
目前对石墨烯的研究,只表明人类可以在更低的维度上认识和操作某些物质,还远远不能说可以在各个维度上转换。
 
不过从理论上说,人类对物质世界的认知越到微观,其操纵自由度就越大。假如有一天,我们可以影响某一元素其原子核里面的结构,并改变它的质子数,那就可能改变这种元素,甚至创造新的元素。如能做到这一点,已经近乎神迹了。
 
科学进步总是从基础研究开始的。我们现在做的,就是奠定石墨烯材料研究的基础。
 
来渝研究“完美”新材料
 
“我们的终极目标是让石墨烯成为和钢铁、塑料、硅一样的基础材料,是把石墨烯应用变成一个完整的产业链”
 
重庆日报:您一直主攻光电领域,为何最后会进入到最基础的材料领域,对石墨烯产生兴趣,并愿意到重庆来继续您的研究?
 
史浩飞:恰恰因为我长期研究光电材料与器件,逐渐发现传统光电材料已遇到理论上的瓶颈,很多元器件性能难以取得实质性突破,于是只能寻求更好的新材料。在美国做博士后研究时我接触到了石墨烯,它的很多特性对我们研究光电子技术的人来说几乎是完美的。
 
2011年,重庆组团赴美国引才,把我引进到中科院重庆绿色智能技术研究院工作。来渝后发现国内还没人能做量产的石墨烯,所以只好自己做。重庆对石墨烯研究的支持力度很大,对人才的引进也有很大的热情,重庆市人社局认定我为重庆市第二类高层次人才,在科研资助、岗位津贴等方面给予支持,激励我们创新。
 
后来我们经过一番攻关,石墨烯制备技术取得了突破,资金和政府进一步的支持也及时到位。但那个时候,石墨烯制备成本相当高,我们就开始考虑将石墨烯产业化以降低成本。
 
重庆日报:于是就有了石墨烯手机的诞生?想做新概念的电子产品?
 
史浩飞:其实,这是一个小小的误解。
 
我们团队核心优势在于石墨烯原材料的规模化制备技术。现在这一点已经实现,但紧跟着问题来了:这是一种崭新的材料,世人怎么知道它的好处?思来想去,我们决定做一种具有新颖性、带点科幻色彩的产品,于是就想到做一款可卷曲的柔性手机,毕竟手机是目前最普及的电子产品。
 
但实际上,我们的终极目标是要让石墨烯成为和钢铁、塑料、硅一样的基础材料,是把石墨烯应用变成一个完整的产业链。
 
这一切,我希望能在重庆率先实现。
 

 

 
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