2018年3月5日，世界頂級學術期刊，英國《自然》雜志(Nature)背靠背發(fā)表了兩篇來自中科院天才少年曹原的石墨烯重磅論文。而在同年12月該雜志發(fā)表的年度影響全球的十大科學人物排行榜中，這位年僅22歲的少年更是力壓各界泰斗，位列榜首。
而原因是他在美國麻省理工學院攻讀博士期間，發(fā)現(xiàn)當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產(chǎn)生神奇的超導效應。
曹原，圖片來源：自然雜志
這個發(fā)現(xiàn)對科學界有多重要呢?
眾所周知，現(xiàn)代文明的基礎是建立在電力能源的供應上，沒有電力，整個人類社會脆弱得宛如嬰兒。
但自19世紀電力技術發(fā)明以來始終有一個世紀難題困擾著物理學界：即電力在傳輸過程中所產(chǎn)生的大量損耗。這不僅加劇了人類對化石能源的消耗，也對生態(tài)環(huán)境尤其是空氣質(zhì)量產(chǎn)生了巨大威脅。要知道，火電仍然是當前世界主流發(fā)電方式!
而即使是全域一張網(wǎng)的中國特高壓輸電技術，也只是把損耗降至最低，但并不能從根本上解決問題。
近百年來，無數(shù)物理學材料學家前赴后繼的投身破局，但結果收效甚微，只給后人指明了“超導”這一條道路——1911年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當汞被冷卻至-273℃時(人造最低溫度，絕對零度)，可以實現(xiàn)電子的無阻通行，從而把能源損耗降到最零，這個零電阻狀態(tài)被稱之為超導電性，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)超導體的存在。
1913年諾貝爾獎獲得者，海克·卡莫林·昂內(nèi)斯
不過，在后來的試驗中人們發(fā)現(xiàn)，讓材料冷卻至絕對零度的成本，遠遠高于電力損耗的成本，沒有任何經(jīng)濟效益(決定技術大規(guī)模運用的頭號標準就是取決于是否有經(jīng)濟價值)。隨后，全世界的科學家用盡一切辦法去尋找低成本的超導材料，并在1980年將目光鎖定至銅氧化物。
但銅氧化物結構難以調(diào)整，在其達到-140℃時無法進一步降溫，也就無法實現(xiàn)在絕對零度下的超導機制，這讓全世界的物理學界倍感沮喪。
對于當時的物理學界而言，這剩下的133℃猶如三體中的智子，鎖死了人類叩開超導材料的大門，就算他們窮盡畢生之力，也無法解開銅氧化物如何冷卻到絕對零度的秘密。此后三十年，物理學家們一直徘徊在對銅氧化物超導研究的黑暗中，因此在1980年~2010年之間又被稱之為“電力物理學界的黑暗年代”。
物理學家們已經(jīng)在黑暗(超導研究)中，徘徊了30年，試圖解開銅氧化物超導的秘密
——1998年諾貝爾獎得主，美國物理學界羅伯特.B.勞克林
而曹原關于石墨烯超導性能的發(fā)現(xiàn)，有望在數(shù)年內(nèi)成為這跨越107年世紀難題的最終解決方案。就連不少頂級物理學家都承認：如果曹原的發(fā)現(xiàn)能夠進入產(chǎn)業(yè)化階段，那人類材料學乃至整個工業(yè)將開啟一個全新的紀元。
趁著這股東風，石墨烯的熱度再次被炒起，國內(nèi)各種打著石墨烯概念的產(chǎn)品層出不窮，一時之間，仿佛給人一種中國石墨烯技術已大規(guī)模運用的錯覺。
但鮮為人知的是，在這場業(yè)界狂歡之下，一場盛世危機正悄然向我們走來...
自然雜志封面暗示曹原發(fā)現(xiàn)的石墨烯“魔角”
科技日報3月8日訊：
兩會期間，針對我國在石墨烯上游原材料石墨資源產(chǎn)業(yè)上的種種問題，中車株機董事長周清和在采訪中表示：
一方面，我國石墨低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩、市場供大于求，大量珍貴資源輕易低價流失海外;另一方面，高技術含量、高附加值的產(chǎn)品尚不能自主研制，需以出口產(chǎn)品數(shù)倍甚至數(shù)十倍的價格進口回來，這一場景不禁讓人想起“稀土之痛”。
一句“稀土之痛”的形容，足以見國內(nèi)石墨產(chǎn)業(yè)的嚴重弊端性!
所謂石墨，通常產(chǎn)于變質(zhì)巖中，是煤或碳質(zhì)巖石受到區(qū)域變質(zhì)作用或巖漿侵入作用所形成的礦物。因其化學性質(zhì)不活潑，具有超強的耐腐蝕性，所以被廣泛運用于各個工業(yè)領域，是一項非常重要的戰(zhàn)略級資源。
究竟有多廣泛呢?
在擬人化的工業(yè)資源概念中，石油被稱為工業(yè)的血液，鐵礦石被稱為工業(yè)的骨骼，天然氣被稱為工業(yè)的氧氣，而石墨則被稱為工業(yè)的蛋白質(zhì)！
從低端到中端再到高端，從傳統(tǒng)工業(yè)到新興工業(yè)，幾乎所有的產(chǎn)業(yè)梯度和工業(yè)門類里都有石墨的影子。
比如隱晶質(zhì)石墨和晶質(zhì)石墨粉，可用于消防員戰(zhàn)斗服的耐火材料、鉛筆;石墨乳、硅化石墨、可膨脹石墨，可用于汽車潤滑劑、摩擦原件;高純石墨、球形石墨可用于鋰電池電池負極、航空航天裝備及生物醫(yī)療器材的密封材料等。
從以上廣泛的應用不難看出，石墨對現(xiàn)代工業(yè)文明的重要性，絲毫不亞于稀土、鐵礦石等礦物質(zhì)，而2004年的一次重大發(fā)現(xiàn)，更是把它推向了人類工業(yè)未來的希望之巔!
早前，理論材料學界就認為，石墨因為層間作用力較弱，易于層層剝離，如果把石墨片剝離到最后一個的單層，就能得到一個只有原子層厚度(0.335納米左右)的蜂窩狀平面膜，加之石墨的化學特性，我們將得到一種人類有史以來最薄、最硬的材料。
這就是石墨烯!
即便把20萬張石墨烯薄膜堆疊到一起，它的厚度也只有一根頭發(fā)絲。
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，證明了這一理論的可行性，他們通過實驗成功從石墨中分離出只有碳原子厚度的石墨烯，由此獲得了2010年度的諾貝爾物理學獎。
石墨烯的出現(xiàn)對物理材料學界的意義無疑是革命性，基于材料應用對工業(yè)的重要性，不少人認為它將推動工業(yè)文明發(fā)生顛覆性的改變。
正如材料界對它的評價：
如果說20世紀是硅的世紀，那么，21世紀就是石墨烯的世紀。
——硅的發(fā)現(xiàn)，使人類從傳統(tǒng)機械時代走向了ICT信息時代，其在短短五十年間所創(chuàng)造出的財富遠超前兩次工業(yè)革命加上整個農(nóng)耕時代的總和!
安德烈.海姆
安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫分離出石墨烯后，材料學界便明確了主攻方向，并發(fā)現(xiàn)了其超前力量賦予的更廣泛用途。
比如科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯的強度是鋼的100倍，是目前已經(jīng)強度最高的材料。用它制成厚度越100納米的薄膜，它隨能承受的極限壓力超過2噸，可用于宇宙級航天探索。
再比如石墨烯具有超強的傳導性，用3克石墨烯堆疊的材料，表面積相當于一個標準的足球場。用它制成電極材料上，大比例的蜂窩結構可以使電解液離子快速移動至石墨烯表面，再加上大面積的電荷存儲，能夠制造出容量超大的鋰電池和電容器。
目前，在核能小型化和安全性沒能解決，而快充只是治標的情況下，石墨烯將是新能源行業(yè)唯一的治本希望。
電動汽車和智能手機的超強續(xù)航，未來都要依賴石墨烯技術的發(fā)展!
再加上曹原在2018年發(fā)現(xiàn)的超導性能，石墨烯必將成為構建起未來產(chǎn)業(yè)的底層建筑。其應用范圍包括你我所熟知的一切新興產(chǎn)業(yè)，如電力能源、環(huán)保隔溫、電子科技、清潔能源、生物醫(yī)學、航空航天、國防軍事、芯片半導體、新能源汽車等等...
所以，分離石墨烯的上游原材料石墨，又被稱之為21世紀支撐高新技術發(fā)展的戰(zhàn)略資源。
有鑒于此，諸多科技強國在石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，便迅速制定了相關發(fā)展計劃以及對石墨供應鏈產(chǎn)業(yè)的扶持政策。
2014年，華為CEO任正非曾在采訪中表示：未來10-20年內(nèi)一定會爆發(fā)一場技術革命。這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代，但是顛覆需要有繼承性發(fā)展，現(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨已經(jīng)是技術革命前沿邊。
2008年7月，美國DARPA(國防部高級計劃署)啟動碳電子射頻應用項目，總投資超過2200萬美元，用于開發(fā)實驗室內(nèi)超高速和低能耗的石墨烯電晶體。
2013年，歐洲投資十億歐元啟動為期十年的石墨烯大型旗艦計劃，全球知名電信設備運營商諾基亞從FET(歐盟未來與新興組織處)獲得13.5億美元的研究經(jīng)費支持，用于開發(fā)石墨烯材料。
同年，英國投資6100萬英鎊在曼徹斯特大學成立國家級研究院和工程創(chuàng)新中心，大力推動石墨烯商業(yè)化進程。
2014年，韓國產(chǎn)業(yè)通商部整合40余家科研機構和6家頭部企業(yè)，打造石墨烯聯(lián)盟，意在引進石墨烯技術強化韓國在全球半導體生產(chǎn)、智能手機等高端產(chǎn)業(yè)的龍頭地位。
2018年，美國政府將石墨列入戰(zhàn)略級礦物名單，由總統(tǒng)特朗普下令重建國內(nèi)石墨資源供應鏈。
我們這邊，在石墨烯技術發(fā)展上，從2012年起到2020年，已經(jīng)連續(xù)八年在重要產(chǎn)業(yè)、科學、材料發(fā)展和國家一級項目規(guī)劃文件中列入石墨烯。在石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，2016年，我國將用于傳統(tǒng)工業(yè)的晶質(zhì)石墨明確為戰(zhàn)略級礦產(chǎn)，2019年列入工業(yè)強基工程一條龍應用計劃。
近年來，由于石墨烯技術的發(fā)展，全球石墨資源的需求量不斷上升。2012年，全球石墨探明儲量7680萬噸，產(chǎn)量為117萬噸，2019年增加至2.3億噸和167.65萬噸。
其中，中國作為石墨儲量第二豐富的大國，承擔了全球石墨產(chǎn)能的主力輸出國：2019年，中國石墨總儲量6300萬噸，占總比例33%。其中，產(chǎn)量為125萬噸，占總比例的74.6%，出口量為28.89萬噸，占總比例的52.7%
雖然我國石墨供應占據(jù)了世界三分之二的江山，但所面臨的處境比稀土還要糟糕，具體有三個方面：
一是開采無序浪費和污染嚴重
早前的石墨資源開采，主要以小私營企業(yè)較多，無序開采一方面加速了石墨資源外流和耗竭的速度，另一方面則對周圍生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞。
2014年，石墨資源大省黑龍江的一份產(chǎn)業(yè)報告顯示：
我國目前約有近千家石墨企業(yè)，石墨資源濫采亂掘、采富棄貧、粗放經(jīng)營、管理水平低的現(xiàn)象比較普遍，開采和加工呈現(xiàn)無序化狀態(tài)。如果按照目前的開采方式和速度，最多20年，國內(nèi)已探明的石墨資源將消耗殆盡，屆時中國將從國外高價進口石墨，由石墨大國變成石墨貧國。
不過好在近些年國家的強力管制，這種情況已經(jīng)有所好轉(zhuǎn)，但仍然存在缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃和選礦率低的現(xiàn)象。
二是市場秩序混亂
早期國際市場對我國石墨資源需求旺盛，產(chǎn)能過大。進入平穩(wěn)階段后，國外需求下降，我國石墨產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，導致大量珍貴資源低價流入海外。
三是產(chǎn)業(yè)結構失衡
不同于稀土開采冶煉的全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，在石墨資源領域，我國僅掌握開采和部分落后的提純及冶煉技術，這導致了中國在向世界低價供應石墨初級原材料產(chǎn)品時，也需要花大價錢從國外進口用于工業(yè)生產(chǎn)的專用級產(chǎn)品。
中國石墨資源儲量約占世界33%，是第二大石墨資源國
根據(jù)2015年地質(zhì)局發(fā)布的《中國石墨資源調(diào)查報告顯示》，中國既是世界上第一大石墨出口國，也是世界上第一大石墨進口國。產(chǎn)量的三分之一用于出口，其中80%為低附加值產(chǎn)品。
以日本為例：當年，中國向日本出口低端晶質(zhì)石墨產(chǎn)品10萬噸，均價大約為925美元/噸。在日本經(jīng)過專業(yè)級產(chǎn)品加工后，其用于電池的球化石墨進口價為10135美元/噸，溢價高達10.9倍！而被加工成用于人工心臟的瓣膜后，進口價更是直奔2萬美元。
中國石墨行業(yè)協(xié)會輪值會長、內(nèi)蒙古日新集團董事長張彬在2014年的采訪中曾指出：
中國石墨界如果再走低端路線，恐怕就連做苦勞力的資格都沒有了!
如果這些問題不能得到有效解決，一旦石墨烯技術進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，將對我國資源安全造成極大的戰(zhàn)略隱患，我們必須要和時間賽跑。
文章最后，戎評有話說
2016年9月23日，在山東青島舉行的年度中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，石墨烯發(fā)現(xiàn)者安德烈.海姆表示：
中國目前推出的石墨烯產(chǎn)品普遍呈低端化特征，沒有發(fā)揮好它的真正能量。
必須承認，雖然我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化水平處于國際領先地位，但扎堆出現(xiàn)的石墨烯產(chǎn)品，多半集中于內(nèi)衣、石墨烯枕頭、石墨烯輪胎等工業(yè)梯度中最底層的門類。針對這類低端化且只做輔助材料的現(xiàn)象，不少媒體將中國的石墨烯，稱之為工業(yè)味精。
而與之形成鮮明對比的是：美國IBM公司早在2014年就推出了世界首個多極石墨烯射頻接收器，傳輸速度是硅芯片的千倍，是當時最先進的石墨烯芯片！
須知，工業(yè)存在的最大現(xiàn)實意義，就是通過生產(chǎn)力技術的提高增加國民收入和維持國防安全。工業(yè)梯度不高，產(chǎn)業(yè)化水平再高又如何?就算你把紡織業(yè)全盤石墨烯化，對我國工業(yè)水平的進步意義也實在有限!
你能指望一件衣服能賣出芯片的價錢嗎？
你能指望一個枕頭能打敗戰(zhàn)機軍艦嗎？
所以，中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)必須勇登高峰，向航空航天發(fā)展、向半導體發(fā)展，向一切關乎高端制造業(yè)的行業(yè)發(fā)展。
我們的石墨烯絕不能做工業(yè)味精，而是要做工業(yè)之魂，塑造一個全新的時代!
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