石墨烯作為一種碳基新材料，具有良好的光、電、熱、力性能，在電子信息、新材料、新能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，正成為全球新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命的焦點。目前，全球已有80多個國家投入石墨烯材料研發(fā)，美、英、韓、日、歐等更將石墨烯研究提升至國家戰(zhàn)略高度。本文將為大家介紹當(dāng)前研究領(lǐng)域領(lǐng)先的世界五大石墨烯研究中心及中國的頂尖石墨烯研究機構(gòu)。
一、曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世于曼徹斯特大學(xué)，2010年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因石墨烯研究方面的成就獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎。作為石墨烯的誕生國，英國看到了石墨烯這種超級材料的無限發(fā)展前景。瞄準(zhǔn)新一輪產(chǎn)業(yè)革命，2011年，英國政府決定在曼徹斯特大學(xué)建造國家石墨烯研究所（National Graphene Insttitute，NGI）。2015年3月，耗資6100萬英鎊的NGI正式掛牌成立。
NGI是當(dāng)前英國乃至世界石墨烯相關(guān)研究的策源地。NGI核心使命在于不斷開拓二維（2D）材料科學(xué)與應(yīng)用前沿領(lǐng)域，兼顧石墨烯以及二維材料產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化。以NGI為中心，石墨烯工程創(chuàng)新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發(fā)展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業(yè)應(yīng)用新模式。合作是國家石墨烯研究所的關(guān)鍵。目前超過80家公司已經(jīng)與曼徹斯特大學(xué)合作，致力于石墨烯的應(yīng)用。
2019年，NGI累積發(fā)表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，NGI近半數(shù)新發(fā)頂刊研究內(nèi)容與2D材料異質(zhì)結(jié)關(guān)聯(lián)，主要報道異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現(xiàn)象，重點聚焦基礎(chǔ)物理領(lǐng)域。
二、劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協(xié)同創(chuàng)新組織的一部分。CGC的定位是工程創(chuàng)新中心，主要任務(wù)是橋接學(xué)界和工業(yè)界，推動石墨烯及2D材料的產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)應(yīng)用科研成果的市場化進(jìn)程，重點強調(diào)2D材料相關(guān)的應(yīng)用。
投資CGC的主要目的在于填補兩個方面的空白：（1）面向工業(yè)生產(chǎn)，研究中試工藝設(shè)備體系，測試與優(yōu)化基于石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術(shù)；（2）面向自供能、無線互聯(lián)等對能源存儲的要求，研究基于透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關(guān)材料賦能新型柔性、節(jié)能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰(zhàn)。
為逐步攻克上述難關(guān)，CGC從四個大方向布局2D材料相關(guān)研究：（1）材料的生長、轉(zhuǎn)移和打??；（2）能源應(yīng)用；（3）器件互聯(lián)；（4）傳感器應(yīng)用。
2019年劍橋大學(xué)納米科學(xué)中心Colm Durkan博士在《Adv. Mater》期刊提出了一種簡單有效的解決方案，用于去除石墨烯表面上的PMMA殘留物。
圖1、石墨烯器件制造的示意圖。a）在Cu箔上CVD生長的石墨烯旋涂有塊狀PMMA作為支撐層。b）在轉(zhuǎn)移到硅襯底上并且去除了塊狀PMMA之后，留下石墨烯表面但是具有一些聚合物殘留物。c）在用于圖案化石墨烯 - 金屬接觸的電子束光刻之后的抗蝕劑顯影之后，更多的PMMA殘留物留在石墨烯表面上。d）然后在金屬化之后將這些殘留物捕獲在石墨烯和金屬電極之間。e，f）在（b）和（c）的兩個步驟之后，如本工作中提出的在離子溶液中處理樣品可以有效地去除石墨烯表面上的殘留物。
為了理解觀察結(jié)果，應(yīng)該認(rèn)識到PMMA是疏水的，石墨烯也是如此。因此，PMMA強烈粘附于石墨烯表面。PMMA具有碳骨架，具有酯側(cè)鏈。當(dāng)暴露于低pH時（如HCl的情況），酯可以水解得到醇（其將分散成溶液）和脂肪酸，其保持附著在骨架上。這種酸性形式的PMMA將是親水性的，因此i）與下面的石墨烯具有更弱的相互作用，并且ii）將與水更強烈地相互作用。兩者的組合導(dǎo)致PMMA緩慢溶解。至于NaCl的作用，可能發(fā)生不同的反應(yīng)，包括PMMA的甲基側(cè)基的氯化，以產(chǎn)生氯甲烷，其也是高極性的，因此是水溶性的。
三、西班牙光電科學(xué)研究所
西班牙光電科學(xué)研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注于光電研究的世界級研究中心，網(wǎng)羅世界范圍內(nèi)高端光電領(lǐng)域基礎(chǔ)與應(yīng)用研究科學(xué)家，立志于解決光電前沿領(lǐng)域的未知問題，推動先進(jìn)光電技術(shù)的應(yīng)用。鑒于石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發(fā)展，與量子和納米生物學(xué)并列，ICFO獨立開辟石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統(tǒng)光電材料，解決當(dāng)前光電領(lǐng)域所面臨的困難和挑戰(zhàn)?；A(chǔ)科學(xué)探索與新興應(yīng)用研究并舉，ICFO在基礎(chǔ)科學(xué)和在新興應(yīng)用分別確立了四大探索研究方向。
2017年，西班牙光子科學(xué)研究所首次制備出高分辨率石墨烯-量子點CMOS成像傳感器。 2019年，上述課題組累計發(fā)文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發(fā)文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領(lǐng)域。、
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應(yīng)用途徑，并通過新型功能材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研發(fā)可再生能源器件。
在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基于石墨烯納機電振子的超分辨質(zhì)譜儀和光力系統(tǒng)，并行開展基于石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應(yīng)用于DNA、蛋白質(zhì)等的生化傳感器。
在表面等離激元光子學(xué)方面，主要研究石墨烯等離激元的電調(diào)控與探測、基于石墨烯等離激元的光調(diào)制等等。
在基礎(chǔ)光學(xué)方面，主要研究納米量子光學(xué)、人造石墨烯、超快光學(xué)以及石墨烯非線性光學(xué)等。
在成像系統(tǒng)應(yīng)用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基于COMS工藝圖像傳感器。
在可穿戴應(yīng)用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統(tǒng)，能夠有效檢測血氧等多健康參量。
在光電探測器方面，主要研究基于寬帶吸收的超寬帶探測器以及結(jié)合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。
在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學(xué)傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
四、新加坡國立大學(xué)先進(jìn)二維材料研究中心
2010年新加坡國立大學(xué)（NUS）宣布，它將設(shè)立一個新的研究中心，主要是集中在二維材料上（就像石墨烯）的研究。 所謂的“二維材料中心”（2MC）在未來10年里將獲得國家研究基金會的4000萬美元的資金。
新加坡國立大學(xué)先進(jìn)二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發(fā)展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表征、理論建模和應(yīng)用等全方位探索和跟進(jìn)2D材料所帶來的革命性技術(shù)。
因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基于2D材料的基礎(chǔ)科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面走在亞洲國家前列。
2019年，CA2DM累計發(fā)文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發(fā)文幾乎涵蓋上述各個研究方向。
五、韓國三星綜合技術(shù)院
韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡，特別是在產(chǎn)業(yè)企業(yè)層面，SAIT投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
韓國三星綜合技術(shù)院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）隸屬于三星集團探索與發(fā)展事業(yè)集群，建立宗旨是“無限探求”（Boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）為新市場研究領(lǐng)先的或原創(chuàng)技術(shù)；（2）促進(jìn)技術(shù)融合創(chuàng)新；（3）推動納米科技發(fā)展；（4）研究顛覆性技術(shù)。
未來10年石墨烯具有提升和變革若干產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力，同時也有望在歐州和全球創(chuàng)造大量新增就業(yè)機會。因而，從技術(shù)角度審視石墨烯究竟對哪些具體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域更為重要，這非常關(guān)鍵。
中國頂尖石墨烯研究機構(gòu)之一 ——北京石墨烯研究院
北京石墨烯研究院（BGI）是在北京市政府支持下，由北京大學(xué)與中國建材集團、中國寶安集團等行業(yè)龍頭企業(yè)于2016年聯(lián)合發(fā)起成立的專注于石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)研發(fā)、高端研發(fā)代工服務(wù)、科技成果孵化轉(zhuǎn)化的新型研發(fā)機構(gòu)；同時成立BGI科技股份有限公司作北京石墨烯研究院成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)載體。首任院長由國際著名納米碳材料專家、北京大學(xué)劉忠范院士擔(dān)任，并邀請諾貝爾獎獲得者、曼徹斯特大學(xué)康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授擔(dān)任名譽院長。
北京石墨烯研究院對接產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家重大需求，布局石墨烯產(chǎn)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)，踐行企業(yè)高端研發(fā)代工新型服務(wù)模式，培植一批石墨烯殺手锏級應(yīng)用，孵化一批石墨烯高科技企業(yè)群，培育千億級石墨烯產(chǎn)業(yè)集群，打造我國石墨烯產(chǎn)業(yè)核心競爭力。
引領(lǐng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)策源地、高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新機制與創(chuàng)新文化示范區(qū)、全球石墨烯高端人才匯聚地、石墨烯產(chǎn)業(yè)資源協(xié)同聚集體及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高地。
目前，制備的石墨烯材料與理想還差得很遠(yuǎn)，因此我最近經(jīng)常講的是今天的石墨烯材料并不等同于未來的石墨烯材料，現(xiàn)在做的石墨烯，現(xiàn)在的用途未必甚至很有可能不會成為未來產(chǎn)業(yè)的核心。而對于我們來說，需要把它做到極致，才能形成產(chǎn)業(yè)，制備決定未來，關(guān)鍵是能不能做出真正好的石墨烯材料。
關(guān)于未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)，將是建立在石墨烯材料的殺手锏級的應(yīng)用基礎(chǔ)之上，而不是作為萬金油式的添加劑。國內(nèi)市場主要關(guān)注這些產(chǎn)品，包括服飾、涂料、復(fù)合材料、吸附、潤滑產(chǎn)品以及石墨烯鋰電池、智能手環(huán)、石墨烯手機觸摸屏等等；而國際上關(guān)注的是石墨烯超級汽車，還有物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備與健康管理、數(shù)據(jù)通信、能源技術(shù)、復(fù)合材料等等。
關(guān)于中國石墨烯材料產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，急功近利傾向嚴(yán)重，缺乏對未來石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的關(guān)注，專利數(shù)量多，但創(chuàng)新能力不足，缺少真正的核心知識產(chǎn)權(quán)。另外，資本市場的炒作魚目混珠，產(chǎn)業(yè)園區(qū)盲目建設(shè)，簡單重復(fù)現(xiàn)象嚴(yán)重。檢測標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，市場產(chǎn)品魚龍混雜，經(jīng)費投入分散且嚴(yán)重不足。政府在當(dāng)中要明確決策定位，著重布局未來石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，將中低端產(chǎn)品放手交給市場和企業(yè)。
關(guān)于石墨烯專利
據(jù)英國專利咨詢公司Cambridge IP的研究，截至2014年5月全球在石墨烯領(lǐng)域申請的專利數(shù)量為11372項，亞洲占3060項，歐洲和英國分別僅有361項和41項，明顯處于落后境地。需要審慎看待石墨烯領(lǐng)域的專利數(shù)量。
目前中國和韓國在石墨烯領(lǐng)域申請了大量專利，而歐洲專利局在授予專利方面很挑剔，因而歐洲提交的專利申請數(shù)量較少。專利數(shù)量的差距，并不是表明歐洲在該技術(shù)領(lǐng)域處于落后境地的一項指標(biāo)。
就專利絕對數(shù)量而言，不可否認(rèn)歐洲處于落后，但其質(zhì)量并不低于其他國家。中國的很多專利并非國際專利；韓國在某一領(lǐng)域的專利數(shù)量多達(dá)數(shù)十個，而歐洲專利則覆蓋了眾多研究領(lǐng)域。歐洲和英國確實需要更多專利，也正在為此努力，但需要更審慎地看待專利數(shù)量。
