碳

  系家族开启“新黑金时代”

  从特斯拉或者宝马产电动车，到苹果出品的可穿戴设备，再到波音实验室里的新型机翼——由碳系家族支撑的各种新材料，正在现代工业的每一个角落跃跃欲试，伺机大展拳脚。

  上个世纪，戈登·摩尔曾为硅的盛行大胆预言。到了今天，硅材料短板渐显，而作为“后摩尔时代”最有力接班者之一的碳，正不断赢得各方资本的青睐与追逐。

  因为石油和煤，第一次工业革命也被称为“黑金革命”，而当我们身边的交通工具和电子产品不断被“碳化”，一场全面的、电子化的新工业革命，或许近在眼前。

  ⊙记者 王宙洁 ○编辑 毛明江

  为了将机翼变得更轻盈和有韧性，Aeromotions的创始人格雷戈里·马克开始注意到碳纤维这种材料。但是手工铺设碳纤维片的工作流程不仅复杂还很昂贵。为了解决这一问题，马克将目光转向3D打印机，并制定出了自己的解决方案——“Mark One”。全球首款以碳纤维为材料的3D打印机应运而生。

  在马克眼中，这比科学更需要艺术感。他说，Mark One只是一台更大的工业机器的“先行者”。

  碳系家族支撑现代工业的各种新材料正在各个领域跃跃欲试。上个世纪，戈登·摩尔为硅的盛行作出大胆预言，而如今硅材料渐渐显示出短板，碳开始成为“后摩尔时代”的接班者之一，赢得各方资本和产业巨头的追逐。

  从碳纤维东富勒烯、碳纳米管（CNT）和石墨烯，再到碳纳米泡沫，形形色色的碳材料正支撑起从电子通讯到航天军工，再到生物医药和新能源等各大领域，让它们变得立体起来。

  后摩尔时代的碳奇迹

  上世纪六十年代，芯片巨头英特尔的创始人之一戈登·摩尔作出了一个大胆的预言：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。这种工艺的演进步伐让半导体芯片产业为之疯狂。

  然而，芯片主要材料之一硅渐渐显示出短板：当有太多回路塞进一个太小空间时，就会导致温度升高，造成效率受阻。

  2004年，这种担忧迎来缓解希望。当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫尝试从石墨中剥离出石墨片，最后得到仅由一层碳原子构成的薄片，他们将其称为“石墨烯”。

  独特的结构赋予了石墨烯特别的机械和电子性能，使它具有超薄、强韧、稳定、导电性好等诸多其他材料无法比拟的优点，因此被视作硅的替代者之一，而石墨烯的发现者也在2010年摘得诺贝尔物理学奖。

  对于获奖者诺沃消洛夫来说，石墨烯有着美好的未来。他在上周表示，石墨烯将为电子通讯、航天军工、生物医药和新能源等新兴领域，带来革命性的技术进步。

  这种材料有多神奇？如果将其运用于锂离子电池，充满一次手机电池大概只需要5秒钟，即使是特斯拉纯电动汽车，充一次电也就5分钟左右。此外，石墨烯薄膜非常柔软，可以折叠，这将成为可穿戴电子产品的福音。

  和石墨烯一起被称为“碳纳米三兄弟”的富勒烯和碳纳米管（CNT）也都吸引了不少注意力。作为碳元素的第三种存在形式，富勒烯在太阳能电池中发挥重要作用，2013年三菱化学已经开始量产并开始样品供货。这种材料还在化妆品制造方面发挥着重要作用。其发现者也在1996年获得诺贝尔化学奖。

  而最早的碳纳米管透射电子显微镜图出现在1952年的俄罗斯期刊上，上世纪七十年代也有日本科学家对此发表报告，不过直到1991年，它才正式被赋予这样一个名字。当同门的另外两大兄弟都已经被诺贝尔奖惠顾，CNT似乎仍在原地踏步，其存在类似于缺乏高纯度量产技术及金属催化剂杂质残留等问题。

  不过，如今它们中的大部分都已经开始有了解决之道。高纯度单层CNT的量产技术基本已经确立，并且已经可以按照金属型和半导体型等差异进行分离。

  打开宏观世界应用空间

  近几十年来，人们对新奇碳结构的研究有越来越浓的兴趣。

  继球状的富勒烯、筒状的CNT和片状的石墨烯之后，去年7月，碳纳米材料家族又有了新成员。名古屋大学教授伊丹健一郎率领的研究小组在《自然·化学》杂志网络版上报告了这一成果，他们将这种碳纳米分子命名为“弯曲纳米石墨烯”。这种像马鞍一般弯曲的碳纳米分子，有望在电子元件和医疗等领域得到应用。

  澳大利亚的研究者则发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们将其称为碳纳米泡沫。这种泡沫的磁性行为使新型应用成为可能，例如在磁共振成像中作为对比增强剂。

  而这些新型材料中最受关注的则是碳纤维。其重量仅为铁的四分之一，但强度却是铁的10倍。其优良特性决定了其应用无处不在，飞机制造、海洋钻探、汽车构件及医疗器械等行业中都有着它的身影，甚至被誉为21世纪的“新材料之王”，其在军工方面发挥着重要作用，在实现战机轻量化、快速反应和精准打击方面起着巨大作用。

  去年11月，工信部网站印发《加快推进碳纤维行业发展行动计划》。根据《计划》，经过三年努力，初步建立碳纤维及其复合材料产业体系，碳纤维的工业应用市场初具规模。行动目标提出，到2020年，我国碳纤维技术创新、产业化能力和综合竞争能力达到国际水平。

  伴随新型碳材料的出现，更多的产业应用也开始打开大门。2011年，美国国家航空航天局（NASA）曾研发出一种新型的超黑材料，它是一种基于纳米技术的超黑涂料，由多层壁碳纳米管组成，成为一种吸光能力极强的材料。高光吸收率可以帮助测量更远距离天体。

  美国斯坦福大学的科研人员则尝试将涂有由银和碳纳米材料制成的墨水的纸张转变为了“纸电池”，为轻型、高效的新型能源存储带来希望。

  此外，超级电容、人脑工程及DNA鉴定等领域都有着碳的身影。2011年，美国南加州大学的研究人员用碳纳米管成功制造出了一个能模拟大脑突触功能的电路，为构建人工合成大脑奠定了基础。美国麻省理工学院的研究人员，则开发出了通过将碳纳米管注入活细胞中，检测是否存在DNA破坏物质的技术。

  去年9月，斯坦福大学的研究人员推出了全球首台完全由碳纳米晶体管制成的工作计算机，朝着未来电子产品更小、更快、功能更强大的方向又前进了一步。美国斯坦福大学电子工程学、计算机科学副教授萨巴辛·米特拉的研究室，制出了集成178个CNT的晶体管的CNT微处理器，该处理器如果通过外接存储器，能够作为可编程的计算机运行。

  厂商密集布局产业链

  碳材料的数字潜力令研究人员和业界人士着迷。2012年，IBM在碳纳米管芯片的制造技术上取得了突破性进展，有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效下去。IBM研究团队成功将碳纳米管簇摆放在硅晶片上，做出了包含一万多个晶体管的硅-碳纳米管杂合芯片。

  向波音787客机提供碳纤维增强树脂基复合材料的日本东丽，则计划于今年开始销售采用双层CNT的触摸面板。去年10月，东丽曾宣布以5.84亿美元收购世界碳纤维排名第三的美国Zoltek公司，并藉此一跃成为全球最大的碳纤维供应商，将产品全球份额提高到30%，继续确保市场份额占绝对优势。

  在汽车业同样存在这股热潮。东丽便曾获得美国碳纤维强化塑料汽车部件厂商PCC的20%股份，目的在于扩大汽车碳纤维复合材料业务。海外媒体近日报道称，宝马汽车公司与汽车碳纤维生产商SGL 计划投资逾1亿欧元，以将合作生产的碳纤维产量从每年3000吨提高到6000吨，以满足不断增长的宝马i系列电动汽车的市场需求。

  早在2012年，宝马便联手美国波音航空公司共同开发碳纤维技术，分别用于各自的汽车和航空制造行业。去年又有报道称，宝马计划在美国华盛顿州再度投资1亿美元用于生产该公司电动车的碳纤维材料。

  此外，据外媒披露，宝马正在专注于轻量化部件的研发工作，如果进展顺利，宝马将会在两年内发布全碳纤维方向盘，此外还在尝试研发由碳纤维和铝合金材质打造的轻量化轮圈，这种全新轮圈将会比常规铝合金轮圈的重量轻25%左右。

  日本帝人公司开发的采用热可塑性树脂的新型碳纤维复合材料“Sereebo”，在去年被尼康公司的新款数码单反相机D5300采用。这是“Sereebo”首次被用于实际产品。NEC也在去年宣布，开始销售名为“碳纳米角”的碳纳米管，这种材料有助于提高电容器的容量以及药物载体的安全性等。该公司表示，碳纳米角除了应用于蓄电电容器、以压力或电力控制开关等功能的执行器，以及燃料电池等以外，还可应用包括药物载体等医疗相关领域。

  而在去年，科技业巨头苹果曾提交了一份专利申请，内容是关于在一些设备中搭载太阳能电池的解决方案。据海外媒体猜测，该专利与麻省理工学院的石墨烯太阳能电池的科研成果有关。

  拥抱工业的未来

  如果要问碳的概念有多少吸引力，去年发生在英国的一种现象或许可以证明。当时，英国金融监管机构曾发布警告称，“可疑”的公司盯上了消费者，向他们兜售投资石墨烯的机会。在这一现象的背后，是石墨烯吸引了市场的炒作。

  不少观点认为，碳纳米管和石墨烯等各种碳类材料将取代现有材料，比如硅，成为电子领域的主角。事实上，石墨烯自被发现以来，迅速成为全球各国政府、科研机构和跨国企业竞相投入巨资开发的超级材料。

  欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一，提供10亿欧元用于资助石墨烯材料研究。中国在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。

  海外媒体观察指出，各国对于碳材料的关注立足点各不相同。美国致力于CNT的研究，而欧洲专注于石墨稀的实用化，中国则在CNT和石墨稀两方面推进研发和实用化。在碳材料的纳米技术方面，中国处于全球领先地位。有几项调查表明，拥有石墨稀相关专利数量最多的是中国，其次是美国和韩国。

  一些区域间的合作也在展开，去年9月，日本丽阳与泰国国有能源企业PTT签订备忘录，共同探讨在东盟地区开展碳纤维及碳纤维复合材料业务。两者预计东盟地区的碳纤维需求会增加。双方考虑将汽车相关产业聚集的泰国作为设备投资的战略基地。除了汽车业方面的用途，三菱丽阳和PTT还将探讨用于天然气、可再生能源、土木工程及基础设施的碳纤维复合材料成型品。

  据ResearchMoz 本周发布报告称，在2013年，风力发电和汽车等工业应用显示出对碳纤维的最大需求，占到总需求的超过60%，紧随其后的是航空。伴随碳纤维的应用比例越来越高，其需求增长也坚挺。

  报道显示，在2013年，全球碳纤维的产能大约12万吨，主要由日本和美国贡献，其中日本东丽、帝人等五大企业占据总体产能的55%。但近几年来，中国的碳纤维市场发展迅速。该机构指出，中国的碳纤维产能以53.5%的复合年均增长率增长，在2013年达到约1.8万吨。

  TechNavio的分析师则在本周预计，从2014至2018年，全球碳纳米管市场将以11.53%的复合年均增长率。其中对增长起到贡献的一大原因是碳纳米管有取代其他材料的潜力。

  如曾经参与碳纳米管计算机项目研究的萨巴辛·米特拉所言：“人们曾说，你们永远都无法制造这种东西。”当各种交通工具和电子产品不断被“碳化”，这或许意味着一场全面的电子工业革命已经到来。