石墨烯–未来的材料？詹姆斯-贝克访谈录

AZoM 与国家石墨烯研究院（NGI）新任命的首席执行官詹姆斯-贝克（James Baker）会面，讨论石墨烯研究和产业的发展。

石墨烯是在曼彻斯特发现的–14 年过去了，产业发展情况如何？

2004 年在曼彻斯特首次剥离出石墨烯是出于好奇心。最初的实验与 “周五之夜 “的蓝天思维和对科学的玩味态度有关。当时并没有任何商业原因，但曼彻斯特的两位物理学家安德烈-盖姆（Andre Geim）和科斯佳-诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）测量了他们剥离出的石墨烯，发现它具有许多神奇的特性。

对于一项发现来说，14 年还太年轻。要知道，碳纤维从发现到首次商业应用大概需要 25-30 年的时间。因此，我经常说石墨烯才十几岁。作为一种新材料，石墨烯的出现还为时尚早。

研究石墨烯复合材料（图片来源：曼彻斯特大学）

尽管如此，石墨烯在简单应用领域的发展已经非常迅速；例如，将石墨烯添加到树脂、复合材料、涂层或塑料中。如今，曼彻斯特大学有 300 多名研究人员从事石墨烯和二维材料的研究。迄今为止，我们已经有大约 90 个工业合作伙伴参与石墨烯项目和活动–从赞助博士项目到参与大型合作项目。

因此，虽然只有14年的历史，但石墨烯已经开始受到越来越多行业的关注。一个关键的挑战是如何制造石墨烯。越来越多的人找到了许多不同的方法，将石墨分解成石墨烯，或通过气体将石墨烯层沉积到基底上。石墨烯材料的供应商可能有数百家，生产石墨烯的方法也多种多样。如今，你可以按克、按公斤甚至按吨购买石墨烯。

我们所面临的挑战可能与石墨烯的关系不大，而与石墨烯层或纳米小板的关系更大。生产纯度很高的单层石墨烯仍然相当困难，但对于许多应用来说，你并不需要单层石墨烯。你需要的是几层。

我认为，通过以合理的价格生产合理数量的石墨烯，石墨烯供应链正在走向成熟。现在，你可以以不到 100 美元的价格购买一公斤质量上乘、品质稳定的石墨烯。在此基础上，石墨烯标准现已出台。在曼彻斯特，我们与英国国家物理实验室共同编制了一份最佳实践指南，因此您开始看到材料供应链的基础已经建立起来。不仅在曼彻斯特和英国，在全世界都是如此。

对我来说，更令人兴奋的是应用。将石墨烯添加到橡胶、涂料或复合材料中，你就能在市场上看到这些早期产品，例如轮胎、自行车、训练鞋。我们最近与一家名为 Inov-8 的公司合作，推出了一款新的训练鞋，这款鞋更加耐用，抓地力和灵活性也大大提高。

网球拍、滑雪板、骨架雪橇，这些都是人们将石墨烯用于市场营销的例子，因为我认为，现在你开始看到这些行业在其产品中添加石墨烯会带来一些好处或价值。

您认为石墨烯对哪些行业的影响最大？

石墨烯的潜力无处不在。从航空航天、汽车到可穿戴设备、物联网和生物医学，石墨烯在许多市场都有潜力。对我来说，最令人兴奋的是当你开始将功能和特性相结合时。

仅举几个例子，航空航天–如果我能在机翼上添加石墨烯，是否能让机翼更轻、续航时间更长、制造成本更低？我还能用石墨烯作为热导体为我的机翼除冰吗？人们正在使用的石墨烯特性之一是机械强度或刚度，但他们也在研究导电性和导热性等问题。

石墨烯具有这种多功能性，因此可以用于能源和能源存储。我们能把它添加到电池中吗？它是一种我可以使用的新材料，因此可以在电池的许多部分发挥作用，还是可以在电池中扮演超级电容器的角色？未来，可能会出现使用电池和超级电容器的混合系统。

二维材料研究（图片来源：曼彻斯特大学）

如果将石墨烯添加到织物中作为应变传感器或心率监测器是可行的，那么我们是否可以开始将其与 Fitbits 或电子设备相结合呢？

就电子设备本身而言，人们已经讨论过制造可弯曲的手机，可以缠绕在手腕上，也可以贴在皮肤上。还有人在研究石墨烯纹身–皮肤上的可打印纹身，可以检测体温、血压或心率。

除了上述特性外，石墨烯还有哪些优点？

我认为，对我来说，主要的好处是多功能性。当其中一项功能能够成为竞争优势时，石墨烯就开始产生效益。我们将石墨烯添加到复合材料中，使其更硬、更轻、使用的材料更少。如果能在单一材料中添加任何附加功能，就会比传统材料更具吸引力。

石墨烯最令人印象深刻的应用之一是作为可调过滤器。你可以将含盐的脏水通过石墨烯膜，使其只允许饮用水通过。这种可调过滤器允许某些物质通过，但会阻挡其他物质，其概念涵盖了从海水淡化、气体分离到核同位素分离和防腐蚀涂层等各个方面。

将石墨烯用作添加剂是一个发展相当迅速的领域。石墨烯现在拥有一些真正的颠覆性机会，可以开始改变我们做事的方式。我们的部分任务就是将石墨烯的潜力转化为现实。我们面临的挑战是，有很多关于石墨烯能做什么的故事，但石墨烯目前在做什么？怎样才能做到大规模、有价值并可重复？

外面有很多噪音，所以有很多公司来找我们，说了两件事：要么石墨烯不起作用，要么他们尝试过石墨烯并起了作用，但无法重复使用。从根本上说，这就是我们要做的事情。我们模型的基础就是基础科学。我们了解材料背后的化学、材料科学和物理学，但我们现在也在了解如何配制石墨烯，以及如何将石墨烯混合到商业意义上的东西中。

什么是石墨烯旗舰项目？

石墨烯旗舰计划是一项欧洲计划。该计划为期十年，旨在实现石墨烯的潜力。石墨烯是国际化的。不仅是英国和欧洲，还有中国和美国。这是真正的国际化。

石墨烯旗舰项目汇集了一系列工作计划，不仅关注基础科学，还越来越多地关注我们如何创造产品和应用。我们是石墨烯旗舰计划创新工作包的一部分，该工作包正在研究我们如何通过知识产权专利和商业化来创造价值。

就近而言，您能解释一下 “石墨烯城市 “的概念吗？

“石墨烯之城 “的构想来自硅谷。而不是复制硅谷。不过，我们不是在使用成熟的硅胶，也不是在开发时间更短的软件，我们是在研究先进材料。我们永远不可能在一天、一周或一夜之间制造出新材料。

但是，我们可以创造我们所谓的’生态系统’。如果你去旧金山的硅谷，你可以在咖啡吧里遇到企业家、发明家、工程师、投资者和律师。喝杯咖啡，你几乎就能创建一个企业。在某种程度上，我们正在曼彻斯特尝试做同样的事情。部分原因是 NGI，但特别是当 GEIC 开业时。

曼彻斯特的 NGI（图片来源：曼彻斯特大学）

我们要做的是创建一个生态系统，其中不仅包括发明家和公司，还包括律师、投资者、企业家以及与这些公司并肩工作将其推向市场的人。

我们要做的另一件事是加快步伐。如果一个想法需要 25 年才能变成产品，从对话到产品需要 25 年–人们可没那么有耐心。如果我们能更快地做到这一点，并将时间缩短一半或一个系数，那么人们就会突然知道曼彻斯特是做生意的好地方，我们就能从想法和投资中创造价值。你可以是一个懂得如何创办企业的人，也可以是一个会举办会议的人–所有这些不同的技能和特质，我们都在努力汇聚在一起。如果我们能做到这一点，那么我们就走上了通往石墨烯之城的道路。

对我来说，石墨烯之城已经从外部为人们提供了帮助。我们已经有了大学、NGI、GEIC、一些初创企业和项目，而且开始有更多的公司参与进来。

曼彻斯特的 GEIC – 建筑将于 2018 年 10 月开放（图片来源：曼彻斯特大学）

现在大曼彻斯特地区至少有两家材料供应商。一家是从曼彻斯特大学分拆出来的，一家是当地的一家公司，目前正在为石墨烯应用生产石墨烯材料。

我们开始看到生态系统形成的第一步，我们与他们建立了合作关系。 通过合作，我们可以找到一种共同创造/提供石墨烯材料的方法。如果我们使用我们的材料，并且这种材料适合某种应用，那么该公司就可以去该公司购买材料，并建立定期供应。

您认为石墨烯进展如何？英国是否跟上了世界其他国家的步伐？

我认为，如果你把石墨烯看做是一个 14 年的新生事物，那么它的发展速度是惊人的。例如，他们认为中国的进展比我们快，因为他们衡量的是专利，或者他们衡量的标准不同。石墨烯仍处于早期阶段，只有少数产品问世。石墨烯营销可能比什么都重要。

在未来 12 到 18 个月内，你会看到越来越多的产品开始进入市场。许多产品将来自英国，但也有许多来自中国、美国或欧洲。这并不存在排他性。中国的做法与英国截然不同。他们倾向于建立大型工厂来生产和开发材料。

我们不想做的是，在没有框架或计划的情况下，将所有的专有技术拱手相让。我们与中国机构合作开发了一些项目，但我们也希望从这些项目中获得一些回报。遗憾的是，由于潜在效益如此巨大，我们还没有看到产品，这让很多人感到不耐烦。

关于詹姆斯-贝克

詹姆斯-贝克（James Baker）在国防、航空航天和安全市场拥有 25 年的经验，2014 年加入曼彻斯特大学和 NGI 担任石墨烯业务总监后，詹姆斯于 2018 年 1 月被任命为国家石墨烯研究院首席执行官（CEO）。

他将领导二维材料的商业化、应用和加速，包括产品和学术研究。