石墨烯之父盖姆：众多石墨烯产品并不具有颠覆性

烯碳资讯 · 公众号 · · 2023-01-29 09:13

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2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所的两组物理团队共同合作，利用生活中常见的胶带，折叠粘贴在石墨薄片两边，然后撕开，再粘贴，再撕开，不断重复操作，最终撕出了仅由一层碳原子构成的全新材料——石墨烯。这一成果不仅打开了材料科学的新方向：二维材料，也为领导团队的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛（Konstantin Novoselov）赢得了2010年的诺贝尔物理学奖，随后掀起二维材料研发以及产业转化的热潮。

十多年以来，大众始终殷切期盼这种新材料能让人类技术的发展更上一层楼。那么，石墨烯产业究竟发展得怎么样了？前不久，在上海召开的第五届“世界顶尖科学家论坛”上，我们有幸遇到了被称为“石墨烯之父”的安德烈·盖姆，在随后对他进行的远程专访中，盖姆阐述了自己的观察和判断，同时介绍了自己与中国的合作情况。

盖姆在第五届“世界顶尖科学家论坛”上

采访、翻译 | 小叶

Q：以石墨烯为代表的二维材料是如何进入学界视野的？其特色是什么？

安德烈·盖姆： 我们一提到石墨烯，更确切地说是泛指一类全新的材料：二维材料，石墨烯恰恰是这类材料的代表性物质，由一层单原子或单分子组成。2003到2004年，我们最先发现了石墨烯的存在，半年之后，我们课题组发表了另外一篇论文，也就是这篇论文让我们获得了诺贝尔物理学奖。我们确认石墨烯不是唯一的二维材料，它还有很多“兄弟姐妹”，目前估计有一百多种，它们也和石墨烯一样，都能以薄薄一层原子的结构作为材料而存在。

一开始，我们投入所有精力理解石墨烯的特性，在最开始三、四年的石墨烯研究表明，当你从块体材料中剥离出薄薄一层原子尺度的结构之后，后者表现出的特性完全不同于原来的体材料特性。例如，石墨很柔软，但石墨烯是强度最高的二维材料之一，同时它的导电性超过铜、导热性能超过金刚石。此外，它还很像晶体材料，会折断，有别于软绵绵如同橡胶一样的石墨，石墨能被拉伸变形，之后还能恢复原形。越来越多的人专门研究石墨烯，因为它打开了新物理学、新材料科学的大门。

后来，科学家还发现并研究了其他二维材料，有些材料的性质可能不如石墨烯那么出色，可能与石墨烯的特性完全相反，比如我们找到一种名为“白色石墨烯”的材料——六方氮化硼，这恰好是完美的绝缘材料。还有二硫化钼，它虽然也没有石墨烯那么优秀，但却是绝佳的半导体材料，当设计电子器件时，我们更倾向于选择二硫化钼。

总而言之，十多年前，我们周围所有的材料都是三维材料，有长度、宽度和厚度。然后，我们发现了一类新材料，竟然厚度只有一个原子或者分子层那样薄，之前我们完全不知道它们的存在，甚至认为不可能存在。从某种程度上来说，二维材料的发现给材料科学带来了革新。

一些典型的二维材料

Q：约二十年过去了，石墨烯的实际应用取得了怎样的发展水平？

安德烈·盖姆： 我想要明确一点，我们在实验室内发现了某一新材料之后， 一般需要40到70年时间才能让实验室材料完全转化成商业产品 。硅就是很好的例子，我们用了大约100多年的时间，才实现了硅在各领域的应用。现在，我们已经无法想象没有硅芯片、硅产品的生活。铝也是如此，这是一种非常柔软的金属材料，但也是用了很长时间才最终走进了千家万户。

石墨烯优点众多：强度高、轻薄、导电、导热性能卓越。而且，我们还用了最短的时间让石墨烯走出实验室，投入产业研发和生产中。

以锂离子电池为例，如今新能源电动汽车以及其他器件中都装配有锂离子电池，大部分情况下，这些锂离子电池里含有石墨烯，以前以石墨为主，如今用石墨烯替换掉石墨，能够提升约百分之几的电池效率，仅仅这百分之几已经能算作很大的进步了。此外，石墨烯也逐渐扩展应用到其他领域，例如道路建设，还有其他复合型材料，比如橡胶、塑料和石墨烯复合以提高导电性能。

Q：如今市场上有很多“石墨烯产品”，那么石墨烯最终有望引领技术乃至产业界的彻底革新吗？

安德烈·盖姆： 人们当然希望出现一些革命颠覆性的产品，不是说石墨烯没有这种可能，只是到目前为止，我们 还没有走到这个阶段 。石墨烯被认为是微电子领域的优良材料，但我认为其他二维材料也并不逊色，如果有一天石墨烯的其他“兄弟姐妹”材料完全替代了硅，而石墨烯让出了“领跑者”的位置，我本人并不会感到惊讶。

如今，仅中国一地，每年企业平均生产出数百吨石墨烯，但大部分是石墨烯粉末，将粉末掺杂入电池、塑料中，可以改变原材料的特性，掺杂入油漆中，可以让油漆更加持久耐用，从而节省成本，实现环保目的。但在我看来，这些不能算是真正的石墨烯产品。我们可以看到它们被称作“石墨烯油漆”、“石墨烯电池”，但我们应该清楚地知道，其实石墨烯只是稍微增强了原消费品的性能，而市场上有成百上千这样的所谓“石墨烯产品”，但我认为从现实意义上来说，它们并不是革命性的、颠覆性的产品，石墨烯在其中发挥了作用，但还没有惊人到没了石墨烯就不行的地步。

Q：2017年，与石墨烯相关专利数量登峰造极，随后则呈减少趋势，但国际上相关专利竞争仍然激烈。您认为专利对于石墨烯的研发与产业转化有什么意义？

安德烈·盖姆： 我大约有10项专利，但我个人非常怀疑所谓专利的必要性，因为提到专利就得付钱。在我看来，专利往往只给专利法律师带来利益。如果你的产品已经准备好投放市场，那么你需要专利来保护自己的产品免受竞争对手的攻击。但如果你只是还在思考探索阶段，也没有开什么公司，那暂时没有必要考虑什么专利的问题。

Q：无论哪个科学领域，学术界与产业界之间总存在一定差距。根据您的亲身经历，在材料科学领域，您是如何弥补此间差距的呢？

安德烈·盖姆： 如何弥补学术界和产业界之间的差距是一个非常重要的问题，因为这种差距随时随地都存在。以我自己研究的众多情况为例，我们能在实验室内自己制造出一些设备器件，但往往只是尺寸非常微小的器件，不过性能极佳。然后，过了一段时间之后，产业界的专家偶然间看到了我们实验产品的商业化可能性，他们就跑来问我们有没有兴趣和他们合作，建立工厂，大规模成批量地生产出数千吨的产品。

但我们这些在实验室的科学家没有实际生产的专业知识，也没有那么多时间，我们专注于研究其他课题。而产业界的专家没有掌握扩大规模的专业知识。因此，这两个世界之间存在着难以跨越的“鸿沟”。众所周之，世界各地的政府都尝试采取行动来弥补这种差距，他们会成立一些半盈利的政府组织，从学术思路的设计到中间准备阶段的技术，再到高级技术，以便让产业界更容易跨过“鸿沟”，与学术界搭建起合作的桥梁。

Q：您在曼彻斯特大学任教期间与中国学生有过怎样的合作经历？您对中国学生的评价如何？

安德烈·盖姆： 这么多年来，我已经指导过几十名中国的博士生、博士后研究员。我本人更喜欢与博士生一起工作，他们都很有耐心，不急于求成。我们一起合作探索，展开研究大冒险，开启一些创新的研究工作。我曾经有一个中国博士生，我们一起画草图，这样的例子很多。甚至从头开始研究，例如原子尺度的质子传导材料研究，就是和中国博士生一起完成的。

每个中国留学生都有自己的优势和短板，但其中一些博士生、博士后确实是非常优秀的人才，他们很多如今已经返回中国，展开自己的科研生涯。我希望他们能够从我这边学到东西，科研要怀抱冒险精神，同时也秉持专业态度，另外也要学会如何发表更多更有影响力的科研论文。我会继续和他们合作。

另外，现在我正在和我以前的博士生一起撰写一篇论文。今年我已经和以前的博士生一起发表了两篇论文，一些研究成果来自中国，另外一些来自曼彻斯特大学。我们将所有结果结合到一起，因为并非所有设备都集中在某一个实验室，有些在中国，有些在英国。两地合作研究，可以让我们获得更多、更有影响力的研究结果。

Q：2017 年12月，清华大学与深圳市携手共建的“深圳盖姆石墨烯研究中心”以您的姓名命名，您如何参与、指导这个研究中心的科研活动？

安德烈·盖姆： 对，深圳的“石墨烯研究中心”是与清华伯克利深圳学院共同建立的，这也是我与中国科学院院士成会明长期合作研究的成果之一，虽然我不会长期在深圳的石墨烯研究中心，但每年都会有访问交流，我数了数自己护照上的中国签证，2018年、2019年我差不多去了十多次深圳。在疫情之前，我们之间的访问交流非常密集频繁。疫情期间，虽然无法再来深圳了，但仍有很多远程合作，也发表了不少论文。我希望疫情过后能够有机会再次拜访深圳。

盖姆在该研究中心演讲 | 图源：清华大学

毫不夸张地说，我们之间的合作是非常密集的，你们可以在百度上搜索我的姓名和深圳石墨烯研究中心，你们会找到很多论文，我们发表的成果对产业界也产生了深远的影响，所有的合作“热烈”而愉快，我觉得对“石墨烯研究中心”的一切投资都是非常有价值的。

感谢顶尖科学家论坛对本采访的联系和支持！

盖姆简介

物理学家，有荷兰和英国双重国籍。 1958年10月出生于俄罗斯，1987年获得俄罗斯科学院固体物理研究所博士学位。现任英国曼彻斯特大学Regius教授和英国皇家学会研究教授。 2000年，因利用磁悬浮技术悬浮青蛙而获得“搞笑诺贝尔奖”；； 2010年，获得诺贝尔物理学奖。他于2007年当选为英国皇家学会院士，2012年当选为美国国家科学院外籍院士。 2017年当选为中国科学院外籍院士。

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