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刘忠范院士:“重大突破”是“熬”出来的

来源:分析化学 阅读数:73 时间:2020-12-17 13:25:05

当社会各界都在关注科研界如何集中攻关、突破核心关键技术时,电子信息材料领域的“压力”格外大。


“‘重大突破’是‘熬’出来的,绝不是简单突击出来的。”在日前举办的下一代电子信息材料与器件高峰论坛上,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范表示。


石墨烯是典型的下一代电子信息材料之一,但如果从2004年10月发表在《科学》上的第一篇热点文章算起,石墨烯材料的研究历史只有16年。


刘忠范及其研究团队从事石墨烯研究已有12年,他形容自己的研究历程为“从关注科研进展到醉心产业的心路旅程”。


在这段心路旅程中,刘忠范深刻体会到,和其他电子信息材料一样,石墨烯领域也存在诸多关键核心技术问题。


“突破关键核心技术不是过去时,而是现在进行时,也是将来时。”


在刘忠范看来,如果不改变急功近利的科研行为、群众运动式的攻关做法以及“物美价廉”的研究思维,石墨烯等高科技领域仍将不断地产生关键核心技术问题。


“从某种意义上讲,突破关键核心技术并不是技术问题,而是机制问题、文化问题。”刘忠范总结道。


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刘忠范



不做“统计数字”上的强国


碳材料伴随着人类文明的发展而不断发展,从石墨产业到炭黑/活性炭产业,再到金刚石产业、碳纤维产业,其家族是新兴产业的摇篮。

下一个新兴产业是什么?业界专家普遍认为是石墨烯产业。


石墨烯被称为“新材料之王”,其优点广为人知。刘忠范用四个之“最”总结石墨烯的优点:“最薄”——它只有一个原子层的厚度;“强度最大”——比钢强韧200倍;“导电性最好”——是金属银的1.6倍;“导热性最好”——是金属铜的13倍。


由此,石墨烯成为科学界和产业界的“宠儿”。


2019年,刘忠范及其团队历时5个月,集中调研了全国的石墨烯产业,实地考察了近百家相关机构和企业。


“看到了中国石墨烯产业的希望,也看到了挑战。”这是刘忠范集中调研的总体感受。


刘忠范所看到的希望是,中国拥有全球最大规模的石墨烯基础研究和产业大军,已成为“统计数字”上的石墨烯强国,并呈遥遥领先之势。


截至2019年底,全国共成立石墨烯产业园29个、石墨烯研究院54家、石墨烯产业创新中心8个、石墨烯联盟12个,分布在全国21个省区市。


但他认为,仅实现“统计数字”上的石墨烯强国是不行的。


石墨烯材料是石墨烯产业的基石,决定着石墨烯产业的未来。


“缺少对材料源头的足够重视、大炼钢铁式的群众运动造就了全球最大规模的材料产能。”


刘忠范表示,科技与经济“两张皮”现象非常严重,缺少突破原创性和核心关键技术的核心竞争力。



把发明人的名字写进历史里


刘忠范强调,石墨烯材料质量的提升是个循序渐进的过程,不能一蹴而就。“石墨烯材料的研究历史只有16年的时间,我们不能过于急躁。


谈及该如何做,刘忠范比较欣赏日本东丽公司的做法。


1971年,该公司在世界上率先实现碳纤维量产,投入超过1400亿日元从事研发,但一直亏损。


直到2003年,该公司签订波音787合同后,情况才有所好转;2011年,东丽公司发展进入稳定盈利期。从研发到稳定盈利,东丽公司耗时40年。


值得一提的是,东丽公司将碳纤维研发中每个阶段的贡献者制作成一张图谱


“把发明人的名字写到材料上、写进历史里。


刘忠范非常欣赏这种做法,因为这种做法滋养了工匠精神,即追求极致、不屈不挠。


在刘忠范看来,新材料研发恰恰需要这种精神。


“没有扎实的基础研究,就很难形成核心竞争力。”


他同时强调,不能一味搞基础研究,漫无边际、没有针对性的基础研究很难带来材料制备上的真正突破。


2008年,刘忠范所在的北京大学团队走进石墨烯的世界,并在2009年启动石墨烯薄膜的化学气相沉积成长方法研究。


用刘忠范的话说,前五年他们都在从事基础研究,发表了许多高质量文章。


因种种原因,刘忠范下定决心开展产业化。


但他发现,仅靠大学实验室很难开展产业化。


于是,在刘忠范等行业专家的倡导下,相关工程中心、企业联合实验室等机构相继成立。


“从关注科研进展到醉心产业化”,刘忠范感慨颇多,其中之一就是,基础研究所具有的发散思维,和产业化的思路完全不是一回事。


今年11月,刘忠范团队在ACS Nano发表展望文章,绘出了CVD石墨烯薄膜生产技术路线图,明确指出了单层催化生长、多层催化生长以及直接无转移生长等三大技术路线。


“在这一领域,我们在国际上是领头羊。”从实验室样品到规模化产品,刘忠范用“跨越”两个字来形容。他表示,“没有规模化制备上的突破,就不可能有成熟的石墨烯产业”。


“基础决定实力,工艺决定质量,装备决定胜负。”刘忠范总结道。



让科学家和企业家同乘一条船


刘忠范根据Gartner技术成熟度曲线判断,石墨烯产业炒作期已过,市场渐趋冷静。


2018年10月25日,北京石墨烯研究院(以下简称BGI)揭牌成立,这是刘忠范团队开展产业化的关键一步。


有人认为刘忠范是把在北京大学的研究成果拿到该研究院进行转化。


“这是误解。”他表示,他们正致力于探索建立新型研发机构。


刘忠范介绍,BGI瞄准石墨烯产业,就是要打造核心竞争力,包括引领全球的石墨烯材料及其制造装备、原创性的石墨烯应用产品与核心技术、定制化的技术研发服务和理想的创新创业平台。


其中,刘忠范把定制化的技术研发服务称为“研发代工”,这也是BGI的特色。


所谓“研发代工”新模式,是针对企业的研发需求,在BGI成立研发代工中心,开展一对一的研发服务。


他进一步解释道,不同于项目制的“一对多”,这种新模式属于“一对一”。


“通过全过程利益捆绑,长期稳定地服务于企业的高技术研发,共同打造品牌产品。”


在刘忠范看来,这种模式可以让科学家和企业家同乘一条船。


截至目前,BGI在全国已成立多个研发代工中心,效果也正在显现,如石墨烯航空轮胎已经在路上试验。


刘忠范希望石墨烯的应用领域不仅仅在新能源、防腐材料和大健康“三大件”上,还应有一批“杀手锏级”技术,包括下一代变革性光纤技术、石墨烯烯基第三代半导体照明技术、新一代电池集流体、石墨烯烯蚕丝纤维等。


以石墨烯烯蚕丝纤维为例,刘忠范团队研究发现,通过让蚕宝宝吃石墨烯,吐出来的蚕丝可增强30%、韧性增强50%以上,“目前已经实现了小规模的生产”。


刘忠范表示,他们打造以BGI为核心的千亿级石墨烯产业网络,走出北京、走向全国是关键。“目前BGI已在福建、宁夏等地成立分中心或分院。”


打造核心竞争力和通过“研发代工”直接对接市场需求,已经成为BGI发展的“双轮”。


前不久,《科学》杂志发表文章介绍了BGI这种“双轮驱动”模式。


文章指出,“双轮驱动”模式既布局现在,同时也布局未来,这是高科技产业可持续发展的关键;“研发代工”模式有着巨大的发展潜力,不仅展示知识的力量,也将展示出知识的财富价值,让科学家们既有成就感,又有获得感。

来源:中国科学报