我是做烯研究的。早年主要從事石墨烯新材料的基礎研究，后來開始關注實用技術研發，現在更進一步關注如何實現產業化落地。十幾年來，我以石墨烯材料為抓手，做了很多基礎研究、技術研發和產業化工作。希望跟大家分享一下我對高科技產業發展的體會和認識。
石墨烯是一種新材料，號稱“新材料之王”。它是最薄的材料，只有一個原子層那么厚；也是強度最大的材料，理論上比鋼強百倍；還是導電性、導熱性最好的材料。石墨烯是純碳材料，100%由碳原子構成。所以跟現在特別時髦的“低碳”概念不同，它是“高碳”材料。當然，相信這種“高碳”石墨烯材料能夠為“低碳經濟”做貢獻。石墨礦屬于天然的石墨。石墨是一種層狀材料，層與層之間的結合力很弱，用膠帶輕輕一撕就可以撕下來很多層。如果你有足夠的耐心反復對折撕，最后可以撕出一個原子層厚度的石墨片，這就是石墨烯。早期的石墨烯實驗研究就是用這種笨辦法撕出來的，所以大家常常開玩笑地講，石墨烯這個諾貝爾獎是透明膠帶撕出來的。安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫是石墨烯研究的先驅，他們非常有耐心，真的是用普通膠帶一層一層地撕出來了石墨烯，并且首次測量了這種單層石墨片的性質，論文發表在2004年10月22日的《科學》期刊上。這應該是石墨烯領域的第一篇熱點文章，6年后兩位先驅斬獲諾貝爾物理學獎。這里我要強調的是，從零到一的原創性基礎研究突破常常是“無心栽柳”的結果，源于科學家們強烈的好奇心和求知欲，很難進行規劃和重點攻關。基礎研究不是簡單地規劃和用錢砸出來的。沒錢不行，光有錢也不行，基礎研究有其自己的規律。
石墨烯作為一種神奇的新材料，擁有極為廣闊的應用前景。可以想象的應用場景很多，盡管大部分尚處于研發階段，比如電子信息、能源、功能材料、生物醫藥、節能環保、航空航天以及國防軍工領域等。舉幾個大家在廣告中常常看到的例子。第一個是石墨烯電池，嚴格意義上講，應叫作石墨烯改性鋰離子電池。原理上講，石墨烯用作鋰離子電池正極材料的導電添加劑，比當前主流炭黑導電劑擁有更大的優勢。鋰離子電池正極材料導電性差，需添加大量的非活性、輕組分導電劑，導致能量密度降低。高性能石墨烯導電添加劑可顯著降低用量，從而提升能量密度并實現快速充電。石墨烯的高導熱性也有助于快速充放電時的散熱，提高電池的安全性和穩定性。需要指出的是，單節電池的快充和整車快充不可同日而語，更須考慮充電槍和充電樁的功率限制。因此，部分商家所謂的“充電八分鐘，能跑一千公里”的說法僅僅是營銷噱頭。
石墨烯涂料是人們關注最多的另一個話題。超薄石墨烯微片比傳統玻璃鱗片（3—5微米厚）提供更好的物理屏蔽，延緩腐蝕介質的滲透。研究表明，絕緣性的氧化石墨烯或石墨烯衍生物添加量達到0.5%左右，氯離子的滲透即可降低一半，效果顯著。在含有金屬鋅的重防腐涂料中加入0.3%左右的粉體石墨烯，鋅的利用效率會更高，從而顯著降低鋅粉用量，降低成本。需要指出的是，比金屬更穩定的高導電性石墨烯會加劇金屬的電化學腐蝕，而石墨烯提供的物理屏蔽效應僅能滿足短期防腐需求。因此，不能過度夸大石墨烯涂料的神奇效應。統計資料顯示，2017年全球防腐涂料市場規模約250億美元，其中石墨烯涂料市場規模約8億美元。目前從事石墨烯涂料業務的企業約700家，主要分布在江蘇省和廣東省。石墨烯在熱管理和大健康領域承載著人們巨大的期望，也是目前最活躍的應用市場。石墨烯是理想的遠紅外輻射材料，也是導電性和導熱性最好的材料。從發射頻譜上看，石墨烯遠紅外線頻譜與人體發射的遠紅外線頻譜高度重疊，這也是所謂石墨烯發射“生命光波”的由來。利用石墨烯材料制造的電熱轉換設備，具有電熱響應快、驅動電壓低、發射率高以及電熱轉換效率高等優點。國內市場推出很多此類石墨烯電熱產品，電暖畫、電熱服裝、電熱毯、加熱眼罩、紅外理療房、地暖墻暖、護頸護腰等，都是這方面的例子。回顧一下石墨烯的發展歷史。從2004年年末至今，石墨烯已經走過了將近17年的歷史。其中有幾個非常重要的事件和時間節點。2010年10月5日，石墨烯研究的兩位先驅獲得諾貝爾物理學獎，進一步推高了石墨烯的熱度。2013年，歐盟啟動為期十年的“石墨烯旗艦計劃”，每年投資1億歐元，推動石墨烯材料走出實驗室，打造新興石墨烯產業。2014年，國家發展和改革委員會、工業和信息化部等部門發布《關鍵材料更新換代實施方案》，石墨烯位列其中。同年，首家以石墨烯為主營業務的公司“第六元素”登陸新三板。2015年3月，兩位諾貝爾獎得主的東家英國曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院（NGI），同年10月23日習近平主席參訪NGI，繼而引發了國內延續至今的“石墨烯熱”。2018年10月25日，北京市成立北京石墨烯研究院（BGI），全力推進北京的石墨烯新材料研發工作，我擔任首任院長。同年，華為發布采用石墨烯散熱技術的Mate20X手機。2018年12月10日，英國曼徹斯特大學成立“石墨烯工程創新中心”（NEIC），致力于基礎研究和工程化齊頭并進，搶占石墨烯新材料產業的先機。
在我國，石墨烯已成為家喻戶曉、婦孺皆知的存在。2010年成為諾貝爾獎級的新材料之后，中國就掀起了“石墨烯熱”，互聯網上的石墨烯產品廣告可謂是鋪天蓋地，石墨烯相關企業如雨后春筍般冒了出來。截至2020年年底，國內號稱從事石墨烯業務的企業超過2萬家。這個數字可以說是全世界最龐大的，估計比其他國家的總和還要多。據不完全統計，目前中國擁有石墨烯產業園30個、石墨烯研究院54家、石墨烯產業創新中心8個。全國20多個省份的“十三五”規劃中，都有石墨烯板塊的產業布局，并出臺了一系列支持政策。2016年，北京市啟動石墨烯科技專項，致力于把研發資源優勢轉化為石墨烯產業發展優勢。許多上市公司密切關注石墨烯產業發展，據不完全統計，目前有60多家上市公司涉及石墨烯業務，涵蓋了石墨烯產業鏈條的各個環節，其中以新能源相關企業居多。在基礎研究方面，2011年開始，我國學者發表的石墨烯相關學術論文就已領跑全球，占比達到34%。在石墨烯相關專利申請方面，中國更是遙遙領先，全球占比達到68%。可以肯定的是，從統計數字上看，中國的石墨烯行業是居國際領先地位的。那么，石墨烯產業究竟處于什么發展階段呢？我們用高德納技術成熟度曲線來對標一下石墨烯材料。與其他新材料和新技術一樣，石墨烯材料從實驗室走向產業化也需要經歷五個階段：技術萌芽期、期望頂峰期、泡沫谷底期、爬坡期、穩定應用期。對石墨烯來說，2004年年底算是技術萌芽期，隨后迅速得到人們的廣泛關注，期望值越來越高，幾乎成了無所不能的超級材料。2015年、2016年左右是炒作的高峰期，那時候石墨烯仿佛無所不能。但是現在大家漸趨冷靜，過了炒作高峰。實際上，實驗室里的材料和技術絕大部分很難走到最后，大部分中途夭折。政府決策部門，要有耐心，對新材料產業尤其要有耐心。對于石墨烯新材料來說，畢竟才17年的歷史，未來的路還很長。我一直強調，對于石墨烯產業來說，制備決定未來。材料是產業的基石，如果沒有規模化制備技術的突破，就不可能有石墨烯產業。同樣，如果沒有扎實的制備科學基礎研究，就會失去核心競爭力，所以也不能著急。還需要強調的是，缺乏針對性的基礎研究也很難帶來制備上的真正突破。如果我只是在北京大學實驗室里帶領學生做基礎研究，盡管可以發一大堆論文，申請無數的專利，但是很難對石墨烯材料的產業化落地有幫助，這是我現在的切身體會。尤其需要指出的是，石墨烯材料的質量提升是一個循序漸進的過程，需要不懈的努力和耐心。石墨烯材料的產業化不可能一蹴而就，盡管并非把材料做到盡善盡美才能形成產業，這是一個發展過程，沒有例外。我經常開玩笑地把石墨烯分成兩大類：男石墨烯和女石墨烯。男石墨烯對應于石墨烯粉體材料，屬于傻大黑粗型的材料；女石墨烯對應于石墨烯薄膜材料，屬于白富美和高大上型的材料。當然，這只是玩笑而已，不能當真。兩種石墨烯材料的制備方法不同，用途也完全不同，不可同日而語。現在離產業化比較近的、國內研究比較多的是粉體石墨烯材料。粉體石墨烯材料的制備現狀是什么樣呢？2018年，新加坡國立大學的研究人員發表了一篇文章，認真檢測了來自全球60家企業的粉體樣品，發現大部分材料的石墨烯含量低于10%，也就是其中有90%不是石墨烯。而且，作為純碳材料的石墨烯，碳含量竟然不足60%。可以想象，這樣的材料怎么可能肩負起石墨烯產業的未來？我們必須在材料上狠下功夫。還是那句話，制備決定未來。高溫爐子里燒制出來的薄膜材料也是一樣。2018年，我們寫了一篇60多頁的綜述文章，總結了團隊十年來的石墨烯薄膜生長工作。實際上，對于石墨烯薄膜而言，理想和現實之間存在巨大的鴻溝。理想的石墨烯薄膜是完美的二維單晶材料，而現實的石墨烯薄膜是由單晶碎片堆積起來的富含缺陷的多晶薄膜，就像一件縫補起來的破衣服。道理上也不難理解，石墨烯薄膜的高溫生長過程非常復雜，涉及諸多基元反應步驟。真正完美的石墨烯生長，必須設計和控制好每一步，現實中是很難做到的。其實做大不難，提高產量并不難，但是做好很難，這就是現狀。
我的團隊可謂是“十年磨一劍”。我們從2008年開始進入石墨烯領域，至今已經13年了。早年我本人研究的是石墨烯的姊妹篇——碳納米管，二者的制備方法、性能檢測方法非常類似，基礎是相通的。這樣算起來，我已經從事20多年的石墨烯相關研究了。進入石墨烯領域之初，主要關注基礎研究，用化學氣相沉積方法生長石墨烯薄膜，研究其好玩的性質，探索其可能的應用。后來下決心做點真正有用的東西，發展石墨烯薄膜材料的規模化制備技術，這是石墨烯產業的基石。從實驗室樣品到規模化產品，是一個重要的跨越，成立了北京石墨烯研究院。有了更大的平臺和更大的舞臺，可以做實驗室所不能做的事情。北京石墨烯研究院（BGI）是由北京市政府和社會資本共同出資、北京大學牽頭建設的新型研發機構，2018年10月25日正式揭牌。研究院落地中關村北區翠湖科技園，一期研發大樓2萬平方米，注冊資本3.226億元，十年規劃總投資20億元，現在人員規模已經達到240人。研究院的定位是石墨烯產業核心技術策源地、高端石墨烯材料生產和裝備研發基地、面向全球企業的“研發代工”平臺、高科技人才匯聚地和創新創業基地，以及政產學研協同創新機制探索基地和新型研發機構示范區。研究院重點關注三大業務板塊：石墨烯材料規模化制備技術和裝備研發，面向未來石墨烯產業的核心技術研發，以及面向當前市場的企業研發代工。體制機制創新是研究院走向成功的重要保障，我們用“雞蛋模型”來描述總體發展戰略。“蛋黃”代表研究院的核心技術研發團隊，規模約200人，重點發展石墨烯材料的規模化制備技術、裝備以及“殺手锏級”的應用技術，確保在未來石墨烯產業競爭中的核心競爭力。“蛋清”代表若干個“研發代工中心”，針對企業的特定需求，研究院成立專門的研發團隊，開展“一對一”的研發代工服務。一方面解決企業研發能力不足的問題，同時為研究院的可持續發展提供市場支撐。另一方面，研究院為企業打工做研發，而企業則為研究院打工做市場，優勢互補、互利共贏。最外層的“蛋殼”代表應用市場，研究院絕不停留在基礎研究和技術研發層面，而是全力以赴推進技術的市場化落地。我們的戰略目標是，孵化一個以石墨烯材料研發、生產和銷售為主體的石墨烯高科技企業，向全球提供最具競爭力的石墨烯材料及其制造裝備和相關檢測設備，打造一個千億級的石墨烯產業。過去三年來，我們已經實現了不少規模化和產業化的明星產品。比如，第一個是領跑世界的A3尺寸石墨烯薄膜，年產1萬平方米。每張A3尺寸的石墨烯薄膜售價2萬元，還很貴。第二個是單晶石墨烯晶圓，4英寸晶圓年產10000片，6英寸晶圓年產12000片，每片售價3000美元以上。第三個是超潔凈石墨烯薄膜，目前只有我們能夠生產這種最高質量的石墨烯薄膜。石墨烯在高溫爐子里“長”出來的時候非常臟，我們率先實現了超潔凈生長。這種超潔凈石墨烯的性能接近理論極限，代表著石墨烯薄膜制備的最高水平。第四個是超級石墨烯玻璃，我們自己發明的技術，年產5000平方米。我要強調的是，這些石墨烯材料的生產裝備都是我們自己研制的，BGI擁有自己的石墨烯裝備研發中心，已經研制出一系列新型石墨烯生長裝備。北京石墨烯研究院的優勢在于，我們擁有三大協同創新團隊：基礎研究團隊依托北京大學高水平的研究生和博士后隊伍，還有專業的工藝研發團隊和裝備制造團隊。三個團隊協同作戰，缺一不可，快速推進著石墨烯材料的規模化生產工作。顯而易見，單純在北京大學做基礎研究，沒有后兩個團隊很難實現規模化生產；而只有后兩個團隊，沒有強大的基礎研究支撐，也很難有競爭力。對于石墨烯新材料來說，規模化是一個重大的跨越，也是推進材料產業化的關鍵。現實情況是，大部分的人都是在實驗室里做研究，做出來的是石墨烯樣品，談不上是石墨烯材料。做材料規模化制備的團隊很少，相比做樣品來說難得多。我的實踐體會是，在石墨烯材料研發方面，基礎決定實力，工藝決定質量，裝備決定勝負。基礎研究至關重要，沒有扎實的基礎研究做支撐，就沒有實力和競爭力。2021年9月，國家自然科學基金“石墨烯制備科學”基礎科學中心正式獲批成立，依托北京大學和北京石墨烯研究院。這是石墨烯領域的第一家基礎科學中心，是對我們過去十幾年來工作的認可，也是我們繼續前行的信心和基礎。只停留在基礎研究階段，沒有規模化制備工藝的研發，就不可能生產出高質量的石墨烯材料。與此同時，自己做裝備非常重要，裝備是工藝的“固化”，先進的制備工藝需要新的裝備來實現。當然，自行研發裝備也是保護自主知識產權的重要舉措。我的另一個體會是，從基礎研究走向產業化時，必須轉變思維方式，實現從研究思維到工程思維和產業思維的跨越。這一點極為重要。研究思維是好奇心驅動，是發散性的思維方式。新奇特很重要，創新性來源于此，這是科學家的思維模式；工程思維是聚焦一個特定的東西，造出一個具體的東西來，比如一座橋梁，不能滿足于搞花樣，這是工程師的思維方式；產業思維是必須考慮市場因素，考慮成本、價格和可競爭性。實際上，并非最好的技術和最好的材料才能進入市場、占領市場。對于石墨烯新材料來說，光有研究思維肯定不行，要有工程思維，還要有產業思維，三者有效結合才能真正推動產業發展。我認為，產學研協同創新的關鍵是讓科學家、工程師和企業家有一個公共平臺、共同的抓手和利益共享機制，三者缺一不可。現在大家經常講的科技與經濟“兩張皮”的問題，實際上就是產學研協同創新機制還沒有理順，還有很大的提升空間。目前存在兩種截然不同的產學研協同創新模式：一個是單一主體內的協同創新模式；另一個是多個主體之間的協同創新模式。像華為這樣的大型高科技企業就是典型的單一主體協同創新模式，他們自己擁有科學家團隊、工程師團隊以及市場運作團隊，在一個統一的目標和利益鏈上協同創新。而多主體的協同創新模式涉及大學、科研院所、新型研發機構或創新中心以及企業等獨立實體，希望在共同的目標牽引下，步調一致地協同創新。兩種模式哪一種更高效其實一目了然，前者就像一臺高速運轉的機器，而后者則像多臺同步運轉的機器群，難度完全不同。在當前情況下，我們更多地重視多主體的協同創新模式，讓一大堆機器順暢地協同運轉，選擇的是一條難度極大的路徑，值得深思。我認為，應該更多地推進單一主體的協同創新模式，讓千千萬萬個具有內部協同創新能力的企業成長起來，這才是解決產學研協同創新難題的根本之道。大家的共識是，工程化研發是基礎研究成果走向產業落地的必經之路，也是當前我國產學研協同創新鏈條的薄弱環節，而企業才是一切基礎研究和技術研發成果轉化落地的關鍵所在。沒有企業機制，沒有企業家的擔當，“卡脖子”技術永遠解決不了。我們要像尊重和重視科學家那樣對待企業家，中國的高科技產業才能更好地發展。
發展石墨烯產業絕非一朝一夕的事情，需要國家意志和市場意志的有機結合，需要長期不懈的努力和不屈不撓的堅持，可持續發展能力是走向未來的關鍵所在。新興石墨烯產業呼喚全球合作。北京石墨烯研究院愿與全球同道們攜手前進，打造石墨烯產業的光明未來。（本文根據2021中關村論壇全球科技創新高端智庫論壇演講實錄整理而成）
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