En 2004, los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester en el Reino Unido separaron con éxito el grafeno de las escamas de grafito en el laboratorio. Ganaron el Premio Nobel de Física de 2010 por sus experimentos pioneros con el material bidimensional grafeno. Se descubrió que su espesor es de sólo 0,34 nm. Una lámina de grafito de 1 mm de espesor está compuesta por casi 3 millones de capas de grafeno apiladas.
La aparición del grafeno ha provocado un auge de la investigación a nivel mundial, especialmente de sus propiedades únicas. Muchos expertos lo llaman "el material que cambiará el siglo XXI" y predicen que "el siglo XXI será el siglo del carbono (C)".
El grafeno tiene una superconductividad y su movilidad es 100 veces mayor que la del silicio. Según los expertos, cuando los electrones del grafeno se mueven en órbita, no se dispersarán debido a defectos de la red o a la introducción de átomos extraños, y la interferencia es muy pequeña. Por tanto, los electrones se mueven más rápido que en otros metales o semiconductores y pueden alcanzar 1/300 de la velocidad de la luz.
La conductividad térmica del grafeno es mejor que la de los nanotubos de carbono y es decenas de veces mayor que la de metales como el cobre y el aluminio. Esto hace que el grafeno sea prometedor como material de disipación de calor para futuros sistemas integrados a muy gran escala. circuitos. El grafeno también es más duro que el diamante y su resistencia mecánica es 100 veces mayor que la del acero. También es flexible al estirarse y plegarse y tiene una excelente transmitancia de luz, con una transmitancia de luz de 97,4.
Además, el grafeno tiene una superficie específica muy alta. La superficie específica ideal del grafeno de una sola capa puede alcanzar los 2630 metros cuadrados/g, mientras que la superficie específica del carbón activado ordinario es de 1500 metros cuadrados/g, lo que convierte al grafeno en un material potencial de almacenamiento de energía.
Amplias perspectivas de aplicación
El recién nacido grafeno es un material de carbono con un contenido técnico muy alto y un potencial de aplicación muy amplio. Tiene amplias perspectivas de aplicación en pantallas táctiles, dispositivos electrónicos, baterías de almacenamiento de energía, pantallas, sensores, semiconductores, industria aeroespacial, militar, materiales compuestos, biomedicina y otros campos. Una vez producida en masa, se convertirá en la próxima industria emergente de un billón de dólares. .
“Desde una perspectiva global, el grafeno es una investigación de vanguardia. La investigación y el desarrollo de materiales aún están en sus inicios y aún queda un largo camino por recorrer antes de su aplicación a gran escala. Esto no significa que sea muy prometedor. "De lejos", Wang Xinran, profesor de la Escuela de Ciencias e Ingeniería Electrónica de la Universidad de Nanjing, dijo que las pantallas táctiles de grafeno en teléfonos móviles, tabletas y otros terminales deberían ser las primeras en incorporarse. en el mercado y se espera que estén disponibles en dos años. Los dispositivos optoelectrónicos como fotodetectores y células solares de grafeno también entrarán gradualmente en el mercado en 2015. Sin embargo, los circuitos de alta frecuencia y los circuitos lógicos con mayores requisitos y procesos más estrictos no podrán entrar al mercado en un futuro lejano.
Gao Hongjun, académico de la Academia de Ciencias de China, también dijo que el grafeno tiene perspectivas de aplicación atractivas en futuros dispositivos electrónicos y se considera como el área más probable de avance e industrialización en la investigación del grafeno, convirtiéndose en el foco de la investigación y la competencia internacional.
Según informes de los medios, el Instituto Chongqing de Tecnología Inteligente Verde de la Academia de Ciencias de China ha preparado con éxito el primer grafeno monocapa de 15 pulgadas en China, cuyo tamaño alcanza el nivel más alto del país. . En la actualidad, el Instituto de Investigación de Chongqing de la Academia de Ciencias de China ha cultivado grafeno monocapa uniforme de 15 pulgadas sobre un sustrato de lámina de cobre y lo ha transferido con éxito a la superficie de sustratos flexibles de PET y otros sustratos. Después de un procesamiento adicional, también se produjo una pantalla táctil de grafeno de 7 pulgadas. Al conectar la pantalla táctil de grafeno a la pantalla de una computadora portátil común, puede escribir en la pantalla con un lápiz.
En el campo del almacenamiento de energía, se espera que el grafeno desempeñe un papel importante en el desarrollo de baterías y supercondensadores de iones de litio. El grafeno tiene una excelente conductividad eléctrica y una estructura flexible en capas bidimensionales, que puede mejorar la velocidad de carga y descarga, la estabilidad del ciclo y la seguridad de las baterías de iones de litio y los supercondensadores, y puede cargarse completamente en minutos o incluso segundos. Esta batería de grafeno-litio tiene un gran mercado en electrónica de consumo, vehículos eléctricos, almacenamiento de energía y otros campos.
Además, las películas de disipación de calor hechas de grafeno se pueden utilizar en productos electrónicos ultrafinos de alta potencia, como teléfonos inteligentes, tabletas, iluminación LED y televisores LCD. Los materiales de grafeno funcionalizados también tienen un alto valor de aplicación en biomedicina, biodiagnóstico y procesamiento de alimentos.
El auge de la inversión se está intensificando
Debido al enorme potencial de mercado del grafeno, ha habido un aumento global en la investigación, el desarrollo y la inversión en grafeno. En la actualidad, importantes fabricantes internacionales como Samsung Electronics, IBM, Dow Chemical, General Motors y Xerox están promoviendo activamente la investigación sobre la industrialización del grafeno.
Los datos muestran que hay más de 200 empresas involucradas en la investigación y el desarrollo del grafeno, y China y Estados Unidos están muy por delante en el número de patentes de productos. Los últimos datos de Cambridge IP, una organización británica de estrategia de ciencia y tecnología con una investigación en profundidad sobre la industria del grafeno, muestran que los 10 principales titulares de patentes relacionadas con el grafeno del mundo son IBM, KAIST, KIST, Rice University, Samsung, Shengdi, Tsinghua. Universidad, Universidad Chengdu Kyunkwan, Xerox, Universidad de Zhejiang.
Donok, presidente de Cambridge Intellectual Property Company, dijo que la actividad de patentes de grafeno en Asia, especialmente Corea del Sur y China, ha aumentado significativamente en los últimos años.
En China, universidades e instituciones de investigación científica como la Universidad de Zhejiang, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Pekín, el Instituto de Investigación de Metales, la Academia de Ciencias de China, el Instituto de Materiales de Ningbo, la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiao Tong de Shanghai. , la Universidad del Sureste, la Universidad de Tianjin y otras universidades e instituciones de investigación han obtenido múltiples patentes en el campo de la preparación y aplicación del grafeno.
Hasta junio de este año, las instituciones nacionales han solicitado más de 3.000 patentes de invención relacionadas con el grafeno, incluidas 456 patentes autorizadas por la Oficina Estatal de Propiedad Intelectual, centrándose principalmente en la preparación y aplicación del grafeno.
En la aplicación industrial del grafeno, Jiangsu está a la vanguardia del país. En julio de 2010, Taizhou estableció la primera empresa profesional de nuevos materiales de grafeno en China, que ahora tiene una gran escala.
En 2011, el equipo de investigación de grafeno dirigido por Liu Zhaoping, investigador del Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China, desarrolló con éxito una tecnología de preparación de grafeno a gran escala y de bajo coste con la colaboración de intelectuales independientes. derechos de propiedad y estableció una línea de producción piloto a nivel de tonelada. En 2012, la tecnología se transfirió a Shanghai Nanjiang (Group) Co., Ltd., y las dos partes establecieron Ningbo Moxi Technology Co., Ltd., dedicada a la producción, ventas e investigación y desarrollo de tecnología de aplicación de grafeno. Está previsto que la línea de producción de grafeno, con una producción anual de 300 toneladas, esté terminada a finales de 2013.
La industria de los paneles táctiles se está convirtiendo en otra dirección importante para el desarrollo de la industria de alta tecnología de información electrónica de Chongqing. Se prevé que en 2015 la demanda de pantallas táctiles de gran tamaño para tabletas alcanzará los 230 millones de unidades, de las cuales el grafeno ocupará un mercado importante. Con este fin, Shanghai Nanjiang Group promoverá conjuntamente el "proyecto de industrialización de grafeno monocapa a gran escala" con el Instituto de Investigación de Chongqing de la Academia de Ciencias de China, con una inversión inicial de 267 millones de yuanes. Recientemente, la base de la industria del grafeno se ha establecido con éxito en Chongqing y se esforzará por construir la primera línea de producción y ponerla en funcionamiento dentro de un año, creando una capacidad de producción de 6,5438 millones de láminas de grafeno.
Con el avance tecnológico y la industrialización del grafeno, el mercado cada vez le presta más atención. Han surgido decenas de empresas de alta tecnología involucradas en la investigación y el desarrollo, la producción, las ventas y los servicios del grafeno. Por ejemplo, Shanghai Xinchi, Nanjing Foucault Nano, Shenzhen Beterui, etc. Entre ellas participan activamente muchas instituciones de capital riesgo.
Además, muchas empresas nacionales que cotizan en bolsa también han entrado en el campo de las aplicaciones del grafeno. Fangda Carbon anunció la tarde del 20 de mayo que su método de utilizar piedra caliza para preparar grafeno obtuvo recientemente un certificado de patente de la Oficina Estatal de Propiedad Intelectual, con una duración de patente de 20 años. Fangda Carbon dijo que, en comparación con la tecnología existente, la presente invención tiene las ventajas de un proceso de preparación simple, una amplia fuente de materias primas, bajo costo, seguridad y protección ambiental.
Chen Yunhua, presidente de la junta directiva de Dayue Investment, reveló en marzo de este año que la compañía está planificando actualmente la investigación y el desarrollo de productos de grafeno, que se utilizarán principalmente en textiles, prendas de vestir y automoción. baterías, teléfonos móviles y otros campos; en marzo de 2013, Dunan Electric Power La compañía anunció que había solicitado oficialmente dos patentes sobre grafeno y baterías de grafeno. En julio de 2012, la familia Huali confirmó que su accionista mayoritario Nanjiang Group estaba invirtiendo en la construcción de la primera línea de producción de grafeno del mundo.
Zhongchao Cable también confirmó recientemente que en julio de 2012, la compañía obtuvo una patente válida para "cable aislado de caucho que contiene grafeno" la "tecnología de preparación a gran escala de materiales de grafeno" desarrollada conjuntamente por el Grupo Lujin y el Instituto de Investigación de Metales de la Academia China; de Ciencias aprobó la evaluación de expertos del departamento de Ciencia y Tecnología de la provincia de Sichuan.
Obstáculos para la industrialización
Aunque la investigación y el desarrollo del grafeno están en pleno apogeo y son muy buscados en el mundo académico, los círculos empresariales y los mercados de capital, ¿cómo preparar grandes cantidades de alta calidad? Grafeno de tamaño reducido y de bajo coste a gran escala El grafeno es un problema urgente que debe resolverse en la industrialización.
En el Foro de Inversión y Tendencias de Desarrollo de la Industria del Grafeno celebrado el 13 de julio, muchos expertos dijeron que la tecnología actual para preparar grafeno no está madura y que el área de productos es pequeña y no se puede adaptar a aplicaciones industriales. El grafeno todavía se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo. Los países en su conjunto se encuentran en el período de registro de patentes para este material emergente y la cadena industrial aún no se ha formado. La mayor demanda de grafeno sigue siendo la investigación y aplicación de las principales universidades e instituciones de investigación científica.
Según los informes, la razón por la que el grafeno no se ha producido en masa es porque no se ha encontrado ningún método o enfoque adecuado para la producción en masa. Esta es también la razón por la que el coste del grafeno sigue siendo alto. Actualmente existen cuatro métodos principales para preparar grafeno: exfoliación micromecánica, crecimiento epitaxial, reducción de óxido de grafito y deposición química de vapor.
El método utilizado por los premios Nobel Heim y Novoselov para obtener grafeno se llama exfoliación micromecánica, que consiste en cortar escamas de grafeno directamente de cristales más grandes. Este método sigue siendo un medio importante para obtener grafeno en el laboratorio para la investigación básica. El grafeno obtenido mediante este método es de alta calidad, pero su tamaño es pequeño e inconsistente. También requiere mucha mano de obra y es costoso, y no puede satisfacer las necesidades de la industrialización.
El grafeno obtenido mediante el método de crecimiento epitaxial tiene una gran superficie y alta calidad. Sin embargo, la desventaja es que el coste de producción del grafeno es muy alto y las condiciones de crecimiento son muy duras. El grafeno producido con este método no se puede transferir fácilmente a otros sustratos, porque cultivar grafeno en una superficie metálica y luego transferirlo a un sustrato adecuado es muy difícil, como colocar una fina capa de plástico en un campo de fútbol. completo.
Actualmente, el método de reducción con óxido de grafito es el método más sencillo y de menor coste para producir grafeno a gran escala. La desventaja es que durante el proceso redox, la estructura electrónica y la integridad cristalina del grafeno se destruyen fácilmente con oxidantes fuertes, lo que afecta aún más las propiedades moleculares del grafeno.
Aunque el método de deposición química de vapor puede preparar grafeno en un área grande y no es difícil transferirlo a otros sustratos, aún es necesario mejorar la calidad, el proceso es más complejo y el costo es más alto.
La investigación de mi país sobre el grafeno comenzó tarde, pero la investigación continuó rápidamente. A finales de 2012, el número de artículos de investigación relacionados con el grafeno incluidos en SCI había llegado a 5.072, superando a los Estados Unidos y ocupando el primer lugar en el mundo.
“Pero tenemos dos deficiencias. En primer lugar, aunque el grupo de investigación es grande y tiene muchos logros, hay muy pocos resultados excelentes y originales cuando adoptamos los métodos maduros de otras personas. Las innovaciones son muy limitadas y se deben lograr avances en los métodos de preparación de materiales. Además, se centran principalmente en la investigación básica y las aplicaciones industriales son relativamente débiles ", dijo Gao Hongjun, académico de la Academia de Ciencias de China. Empresas de Europa, Estados Unidos, Corea del Sur y otros países participaron antes y lograron resultados. Su aplicación y transformación también están a la vanguardia del mundo.
Zhu Hongwei, del equipo de investigación de grafeno del profesor Kang Feiyu de la Universidad de Tsinghua, cree que el grafeno actualmente tiene capacidad de producción a gran escala, pero todavía existen algunos problemas en el proceso de desarrollo. El nivel tecnológico actual de China puede respaldar su industrialización, pero aún no ha alcanzado el nivel óptimo y requiere grandes avances en el futuro. Sin embargo, la tecnología de preparación del grafeno aún está lejos del estado ideal. Además, espera que el país pueda brindar más apoyo político a las instituciones y empresas de investigación del grafeno.
Ni Zhenhua, profesor y supervisor doctoral de la Universidad del Sureste, presentó cinco sugerencias para acelerar la investigación y la industrialización del grafeno: primero, guiar la dirección correcta de la investigación del grafeno desde el nivel gubernamental; segundo, acelerar el proceso de industrialización; a través del apoyo político; el tercero es establecer estándares industriales lo antes posible y luchar por el derecho a hablar; el cuarto es fortalecer los intercambios y la cooperación entre industrias y promover la aplicación generalizada del grafeno; el quinto es establecer alianzas tecnológicas industriales relevantes; y fortalecer la coordinación y cooperación dentro de la industria.
En los últimos años, el auge del grafeno también ha llamado la atención del gobierno chino.
El año pasado, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información publicó el "Duodécimo Plan Quinquenal para el Desarrollo de la Industria de Nuevos Materiales", que incluía al grafeno como un nuevo material de vanguardia. Además, se han implementado una serie de proyectos importantes en importantes proyectos nacionales de ciencia y tecnología y en el plan nacional 973.
En el Foro de Inversión y Tendencias de Desarrollo de la Industria del Grafeno de 2013, Gao, subdirector del Departamento de Materias Primas del Ministerio de Industria y Tecnología de la Información, dijo que el grafeno pertenece a la categoría de nanomateriales. Cuando se compiló el plan de desarrollo del "Duodécimo Plan Quinquenal" para la industria de nuevos materiales, el grafeno no era tan popular como lo es ahora y las perspectivas de aplicación industrial no estaban claras. Por lo tanto, el grafeno no es el foco principal en el texto de planificación ni en el catálogo de productos, pero con los avances en tecnología y aplicaciones, se estudiará y considerará en el siguiente paso.
En julio de 2013, se estableció en Beijing la Alianza Estratégica de Innovación Tecnológica de la Industria del Grafeno de China. El establecimiento de la alianza ayudará a integrar y coordinar los recursos industriales, establecer un mecanismo de intercambio de información, propiedad intelectual y otros recursos entre la industria, la universidad y la investigación, mejorar aún más el nivel general de innovación de la cadena industrial del grafeno y la competitividad de las industrias de bajo costo. costar el grafeno y promover la salud de la industria del grafeno en mi país.