中國(guó)石墨烯制造處于世界領(lǐng)先地位 為何還要與英國(guó)人合作

一直以來(lái)，智能手機(jī)的續(xù)航能力飽受詬病。如果將石墨烯用于電池的兩極，續(xù)航能力會(huì)是普通電池的十多倍，智能手機(jī)一天一充將成為歷史，充電寶也將被新技術(shù)所淘汰。如果用石墨烯制作電容裝置，它的充放電速度是鋰電池100倍--1000倍，幾分鐘就能完成智能手機(jī)充電。

石墨烯微觀結(jié)構(gòu)示意圖

隨著中國(guó)***習(xí)近平抵達(dá)英國(guó)開啟為期4天的國(guó)事訪問，華為也將和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所簽署石墨烯研究項(xiàng)目。雖然英國(guó)科學(xué)家最早成功制備石墨烯，曼切斯特大學(xué)可說(shuō)是石墨烯的故鄉(xiāng)，但中國(guó)石墨烯制造已處于世界領(lǐng)先地位，那為何華為還要去和英國(guó)人合作呢？

這要從華為在英國(guó)已經(jīng)取得的成功說(shuō)起。

華為在英國(guó)

自2001年華為在英國(guó)設(shè)立了第一個(gè)辦事機(jī)構(gòu)以來(lái)，華為就與英國(guó)公司和研究機(jī)構(gòu)開展了廣泛的合作：與沃達(dá)豐集團(tuán)成為合作伙伴，并于唐寧街10號(hào)簽署戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系的協(xié)議；與英國(guó)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商EE成為戰(zhàn)略合作伙伴；與英國(guó)情報(bào)機(jī)關(guān)“政府通信總部”合作，在牛津郡設(shè)立了網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施，確保華為在英國(guó)出售的電子設(shè)備安全可靠；與英國(guó)薩里大學(xué)達(dá)成第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)科研合作，在薩里大學(xué)創(chuàng)建5G創(chuàng)新中心。

在投資方面華為也堪稱大手筆--華為在雷丁綠園橡樹南路300號(hào)設(shè)立英國(guó)分公司總部，在布里斯托爾開設(shè)新的科研中心，先后收購(gòu)了集成光子中心、Neil等科技公司，并加大對(duì)這些公司的資金輸入力度，擴(kuò)大公司的規(guī)模，進(jìn)而使華為在英國(guó)的科研投入從2012年的3060萬(wàn)英鎊擴(kuò)大至2014年的7840萬(wàn)英鎊。從2012年至今，華為已完成對(duì)英國(guó)投資和采購(gòu)金額達(dá)10.2億英鎊，到2017年，采購(gòu)與投資總額或超14億英鎊。

在經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)方面，華為在2012年至2014年三年期間，華為對(duì)英國(guó)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)為9.56億英鎊，其中包括2.31億英鎊的直接經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)、4.35億英鎊的間接貢獻(xiàn)以及2.90億英鎊的伴生經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)，另外產(chǎn)生約4.11億英鎊的英國(guó)稅收。

此外，華為還為英國(guó)帶來(lái)了龐大的社會(huì)效益。華為不僅通過在英設(shè)立科研機(jī)構(gòu)、并購(gòu)英國(guó)公司直接為當(dāng)?shù)靥峁┝?000余個(gè)高收入科研就業(yè)崗位，還通過遍布英國(guó)15個(gè)地區(qū)的采購(gòu)和供應(yīng)商渠道間接為英國(guó)提供了7000多個(gè)就業(yè)崗位。更重要的是，華為提供的這些就業(yè)崗位不是血汗工廠，全都是優(yōu)質(zhì)就業(yè)崗位--2014年華為員工人均產(chǎn)值為9.98萬(wàn)英鎊，大幅高于英國(guó)均值的4.38萬(wàn)英鎊。

難怪，英國(guó)官員們常把華為在英國(guó)投資、運(yùn)營(yíng)、擴(kuò)張以及科研投入的故事作為案例，反映中英經(jīng)濟(jì)科技合作的深度。

英國(guó)為何需要華為

過去5年，中國(guó)在英投資每年平均增長(zhǎng)85%。2014年，中國(guó)對(duì)英直接投資新增51億美元，投資存量達(dá)400多億美元，在英國(guó)的投資已占到中國(guó)對(duì)歐洲總投資的三分之一。按目前的趨勢(shì)看，未來(lái)10年，中國(guó)對(duì)英國(guó)的投資將達(dá)1624億美元。

2014年，英國(guó)政府提出“北方經(jīng)濟(jì)引擎”計(jì)劃。若要重振北部曼徹斯特、利物浦等老工業(yè)城市，未來(lái)10年在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)、科研投資、高端制造產(chǎn)業(yè)等方面的資金缺口將高達(dá)5000億英鎊，無(wú)論是巨額資金投資，還是大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，英國(guó)很可能需要中國(guó)的幫助。

因此，華為與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所即將簽署的石墨烯研究項(xiàng)目在上述背景下就頗具深意了。對(duì)中國(guó)而言，該項(xiàng)目既可以學(xué)習(xí)吸收國(guó)外優(yōu)秀智力成果，縮小和西方的技術(shù)差距，又能避免過剩的美元在不斷貶值中造成財(cái)富縮水。對(duì)英國(guó)而言，該項(xiàng)目能吸引中國(guó)投資，是助推英國(guó)“北方經(jīng)濟(jì)引擎”計(jì)劃的一部分，成為英國(guó)實(shí)現(xiàn)振興北方地區(qū)必然選擇，也將幫助英國(guó)經(jīng)濟(jì)走出當(dāng)下低迷狀態(tài)。

石墨烯為什么這么重要？

石墨烯是由碳原子組成的單層石墨 --最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的，是只有一個(gè)碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)性、透光性，而且具有高強(qiáng)度、超輕薄、超大比表面積等特性，廣泛應(yīng)用于鋰離子電池電極材料、太陽(yáng)能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等方面。

相對(duì)于通過前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片性能，通過后端設(shè)計(jì)來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，研發(fā)周期也更短（微結(jié)構(gòu)研發(fā)一般要3年），更適合商業(yè)推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗--早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。

因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯材料對(duì)手機(jī)意義重大

對(duì)于華為這幾年的另一項(xiàng)拳頭產(chǎn)品--手機(jī)來(lái)說(shuō)，石墨烯更能帶來(lái)翻天覆地的變化：

手機(jī)中有大量的芯片，比如音頻芯片、視頻芯片、電源管理芯片、能夠獲得更好拍照效果的ISP芯片、WIFI芯片、CPU、GPU、基帶（某些廠商可能會(huì)將這些芯片集成為SOC）等等，如果這些芯片都使用石墨烯材料制造，那么手機(jī)芯片的性能將會(huì)大幅提升，同時(shí)功耗將大幅下降。

一直以來(lái)，智能手機(jī)的續(xù)航能力飽受詬病。如果將石墨烯用于電池的兩極，續(xù)航能力會(huì)是普通電池的十多倍，智能手機(jī)一天一充將成為歷史，充電寶也將被新技術(shù)所淘汰。如果用石墨烯制作電容裝置，它的充放電速度是鋰電池100倍--1000倍，幾分鐘就能完成智能手機(jī)充電。

石墨烯電池示意圖

石墨烯具有輕、薄、幾乎完全透光、強(qiáng)度大、柔韌性好等特點(diǎn)，和現(xiàn)在的手機(jī)屏幕相比，不僅更薄、透光性更好，而且還具有更好的韌性，更不容易破損，甚至還能做成能夠卷起的柔性屏幕。因此，石墨烯屏幕比現(xiàn)在用的屏幕擁有更好的用戶體驗(yàn)。

石墨烯僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過，具有非常好的透光性。因此它還是優(yōu)質(zhì)的感光元件的制造材料，使用石墨烯制造的感光元件，不僅更薄，還更便宜--如果量產(chǎn)，成本僅為傳統(tǒng)感光元件的五分之一。據(jù)新加坡一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)展示的科研成果，石墨烯感光元件的性能比傳統(tǒng)傳感器強(qiáng)1000倍--在昏暗的光線環(huán)境中， 這類傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。

可以想象如果華為手機(jī)采用了石墨烯技術(shù)，那么，手機(jī)將發(fā)生一次革命，正如同智能機(jī)對(duì)功能機(jī)的革命。

中國(guó)石墨烯制造處于世界領(lǐng)先地位

也許有人會(huì)說(shuō)這么好的東西，那價(jià)格鐵定死貴啊，我等老百姓何時(shí)才能用上啊……

其實(shí)石墨烯一點(diǎn)也不貴，因?yàn)槿虻谝粭l和第二條真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、低成本、高品質(zhì)的石墨烯生產(chǎn)線就在中國(guó)！在2013年底，寧波墨西科技有限公司和重慶墨?？萍加邢薰鞠群蠼ǔ赡戤a(chǎn)300噸石墨烯生產(chǎn)線和年產(chǎn)100萬(wàn)平米的生產(chǎn)能力的石墨烯薄膜生產(chǎn)線，并將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元。

今年年初，浙大教授高超成功研發(fā)了一種新型、廉價(jià)、無(wú)毒的鐵系氧化劑，使石墨烯制備過程快、成本低、無(wú)污染，適用于工業(yè)化大規(guī)模制備?！蹲匀?通訊》審稿人對(duì)該技術(shù)的評(píng)價(jià)是“該方法對(duì)石墨烯未來(lái)的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義?！?/p>

在石墨烯的應(yīng)用上，中國(guó)研究人員也已拿出了有分量的成果。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯顯示屏，該項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于今年上市的一款名為“開拓者α”的手機(jī)，該手機(jī)在采用由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜等新材料后，手機(jī)觸控屏幕不偏色不泛黃，色彩真實(shí)、純凈，通透性也比傳統(tǒng)屏幕好，手機(jī)充電速率提高了40%，電池壽命延長(zhǎng)了50%，電池的能量密度也增加10%。

為何華為要去和英國(guó)人合作

既然中國(guó)石墨烯制造處于世界領(lǐng)先地位，那為何華為要去和英國(guó)人合作呢？

國(guó)內(nèi)研究所和企業(yè)雖然也有電容、觸控屏、涂料、導(dǎo)熱材料、復(fù)合材料等產(chǎn)品，但更偏重石墨烯制造，是原材料生產(chǎn)廠商。

要將石墨烯用于電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備，單憑能制造石墨烯顯然是不行的。舉例來(lái)說(shuō)，要將石墨烯用于芯片制造，就必須在石墨烯-硅之間嵌入肖特基管。目前，還未聽聞?dòng)袊?guó)內(nèi)企業(yè)在這方面有比較成熟的技術(shù)和產(chǎn)品。

而英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫早在2004年就用膠帶紙粘貼法成功制備石墨烯，海姆和諾沃肖洛夫也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來(lái)的機(jī)械剝離法已成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的一種常用方法。

作為最早成功制備石墨烯的機(jī)構(gòu)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)一直深耕于該領(lǐng)域，不僅有較深的技術(shù)積累，更是全球石墨烯科研活動(dòng)的中心。

今年的“石墨烯周”活動(dòng)中，來(lái)自近40個(gè)國(guó)家的650多名科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界人士出席了該校這項(xiàng)活動(dòng)，舉辦90場(chǎng)專家會(huì)議，涵蓋的15個(gè)主題涉及石墨烯及相關(guān)二維材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)、72人次口頭報(bào)告和350個(gè)招貼海報(bào)。足見曼徹斯特大學(xué)在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)之活躍。

在資金方面，英國(guó)政府對(duì)曼徹斯特大學(xué)也是予取予求--投資6100萬(wàn)英鎊于2015年春建成曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究院著力于打造新的尖端石墨烯研究設(shè)施，以開發(fā)和維持英國(guó)在石墨烯及有關(guān)2-D材料方面的世界領(lǐng)先地位。

從科研成果轉(zhuǎn)化來(lái)說(shuō)，選擇曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行合作也早有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。已有超過35個(gè)來(lái)自世界各地的企業(yè)選擇與曼徹斯特大學(xué)合作與石墨烯有關(guān)的項(xiàng)目，這不僅讓曼徹斯特大學(xué)合作從合作伙伴手中獲得4億英鎊科研經(jīng)費(fèi)，更將實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化成商品。

所以，華為選擇與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所進(jìn)行合作，既能利用此前在英國(guó)大量科研投入的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，又能在成果轉(zhuǎn)化上具備國(guó)際視野，這項(xiàng)投資將讓這家中國(guó)巨頭站到世界石墨烯科研的最前沿。