從特斯拉或者寶馬產(chǎn)電動(dòng)車(chē)，到蘋(píng)果出品的可穿戴設(shè)備，再到波音實(shí)驗(yàn)室里的新型機(jī)翼——由碳系家族支撐的各種新材料，正在現(xiàn)代工業(yè)的每一個(gè)角落躍躍欲試，伺機(jī)大展拳腳。

　　上個(gè)世紀(jì)，戈登·摩爾曾為硅的盛行大膽預(yù)言。到了今天，硅材料短板漸顯，而作為“后摩爾時(shí)代”最有力接班者之一的碳，正不斷贏得各方資本的青睞與追逐。

　　因?yàn)槭秃兔?，第一次工業(yè)革命也被稱(chēng)為“黑金革命”，而當(dāng)我們身邊的交通工具和電子產(chǎn)品不斷被“碳化”，一場(chǎng)全面的、電子化的新工業(yè)革命，或許近在眼前。

　　為了將機(jī)翼變得更輕盈和有韌性，Aeromotions的創(chuàng)始人格雷戈里·馬克開(kāi)始注意到碳纖維這種材料。但是手工鋪設(shè)碳纖維片的工作流程不僅復(fù)雜還很昂貴。為了解決這一問(wèn)題，馬克將目光轉(zhuǎn)向3D打印機(jī)，并制定出了自己的解決方案——“Mark One”。全球首款以碳纖維為材料的3D打印機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

　　在馬克眼中，這比科學(xué)更需要藝術(shù)感。他說(shuō)，Mark One只是一臺(tái)更大的工業(yè)機(jī)器的“先行者”。

　　碳系家族支撐現(xiàn)代工業(yè)的各種新材料正在各個(gè)領(lǐng)域躍躍欲試。上個(gè)世紀(jì)，戈登·摩爾為硅的盛行作出大膽預(yù)言，而如今硅材料漸漸顯示出短板，碳開(kāi)始成為“后摩爾時(shí)代”的接班者之一，贏得各方資本和產(chǎn)業(yè)巨頭的追逐。

　　從碳纖維東富勒烯、碳納米管（CNT）和石墨烯，再到碳納米泡沫，形形色色的碳材料正支撐起從電子通訊到航天軍工，再到生物醫(yī)藥和新能源等各大領(lǐng)域，讓它們變得立體起來(lái)。

　　后摩爾時(shí)代的碳奇跡

　　上世紀(jì)六十年代，芯片巨頭英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾作出了一個(gè)大膽的預(yù)言：半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。這種工藝的演進(jìn)步伐讓半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)為之瘋狂。

　　然而，芯片主要材料之一硅漸漸顯示出短板：當(dāng)有太多回路塞進(jìn)一個(gè)太小空間時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致溫度升高，造成效率受阻。

　　2004年，這種擔(dān)憂(yōu)迎來(lái)緩解希望。當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫嘗試從石墨中剝離出石墨片，最后得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，他們將其稱(chēng)為“石墨烯”。

　　獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯特別的機(jī)械和電子性能，使它具有超薄、強(qiáng)韌、穩(wěn)定、導(dǎo)電性好等諸多其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此被視作硅的替代者之一，而石墨烯的發(fā)現(xiàn)者也在2010年摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　對(duì)于獲獎(jiǎng)?wù)咧Z沃消洛夫來(lái)說(shuō)，石墨烯有著美好的未來(lái)。他在上周表示，石墨烯將為電子通訊、航天軍工、生物醫(yī)藥和新能源等新興領(lǐng)域，帶來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。

　　這種材料有多神奇？如果將其運(yùn)用于鋰離子電池，充滿(mǎn)一次手機(jī)電池大概只需要5秒鐘，即使是特斯拉純電動(dòng)汽車(chē)，充一次電也就5分鐘左右。此外，石墨烯薄膜非常柔軟，可以折疊，這將成為可穿戴電子產(chǎn)品的福音。

　　和石墨烯一起被稱(chēng)為“碳納米三兄弟”的富勒烯和碳納米管（CNT）也都吸引了不少注意力。作為碳元素的第三種存在形式，富勒烯在太陽(yáng)能電池中發(fā)揮重要作用，2013年三菱化學(xué)已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)并開(kāi)始樣品供貨。這種材料還在化妝品制造方面發(fā)揮著重要作用。其發(fā)現(xiàn)者也在1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

　　而最早的碳納米管透射電子顯微鏡圖出現(xiàn)在1952年的俄羅斯期刊上，上世紀(jì)七十年代也有日本科學(xué)家對(duì)此發(fā)表報(bào)告，不過(guò)直到1991年，它才正式被賦予這樣一個(gè)名字。當(dāng)同門(mén)的另外兩大兄弟都已經(jīng)被諾貝爾獎(jiǎng)惠顧，CNT似乎仍在原地踏步，其存在類(lèi)似于缺乏高純度量產(chǎn)技術(shù)及金屬催化劑雜質(zhì)殘留等問(wèn)題。

　　不過(guò)，如今它們中的大部分都已經(jīng)開(kāi)始有了解決之道。高純度單層CNT的量產(chǎn)技術(shù)基本已經(jīng)確立，并且已經(jīng)可以按照金屬型和半導(dǎo)體型等差異進(jìn)行分離。

　　打開(kāi)宏觀世界應(yīng)用空間

　　近幾十年來(lái)，人們對(duì)新奇碳結(jié)構(gòu)的研究有越來(lái)越濃的興趣。

　　繼球狀的富勒烯、筒狀的CNT和片狀的石墨烯之后，去年7月，碳納米材料家族又有了新成員。名古屋大學(xué)教授伊丹健一郎率領(lǐng)的研究小組在《自然·化學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告了這一成果，他們將這種碳納米分子命名為“彎曲納米石墨烯”。這種像馬鞍一般彎曲的碳納米分子，有望在電子元件和醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　澳大利亞的研究者則發(fā)現(xiàn)了另外一種碳的形態(tài)：蛛網(wǎng)狀、與分形相似的合成物，他們將其稱(chēng)為碳納米泡沫。這種泡沫的磁性行為使新型應(yīng)用成為可能，例如在磁共振成像中作為對(duì)比增強(qiáng)劑。

　　而這些新型材料中最受關(guān)注的則是碳纖維。其重量?jī)H為鐵的四分之一，但強(qiáng)度卻是鐵的10倍。其優(yōu)良特性決定了其應(yīng)用無(wú)處不在，飛機(jī)制造、海洋鉆探、汽車(chē)構(gòu)件及醫(yī)療器械等行業(yè)中都有著它的身影，甚至被譽(yù)為21世紀(jì)的“新材料之王”，其在軍工方面發(fā)揮著重要作用，在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)輕量化、快速反應(yīng)和精準(zhǔn)打擊方面起著巨大作用。

　　去年11月，工信部網(wǎng)站印發(fā)《加快推進(jìn)碳纖維行業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》。根據(jù)《計(jì)劃》，經(jīng)過(guò)三年努力，初步建立碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系，碳纖維的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)初具規(guī)模。行動(dòng)目標(biāo)提出，到2020年，我國(guó)碳纖維技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)能力達(dá)到國(guó)際水平。

　　伴隨新型碳材料的出現(xiàn)，更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也開(kāi)始打開(kāi)大門(mén)。2011年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）曾研發(fā)出一種新型的超黑材料，它是一種基于納米技術(shù)的超黑涂料，由多層壁碳納米管組成，成為一種吸光能力極強(qiáng)的材料。高光吸收率可以幫助測(cè)量更遠(yuǎn)距離天體。

　　美國(guó)斯坦福大學(xué)的科研人員則嘗試將涂有由銀和碳納米材料制成的墨水的紙張轉(zhuǎn)變?yōu)榱?ldquo;紙電池”，為輕型、高效的新型能源存儲(chǔ)帶來(lái)希望。

　　此外，超級(jí)電容、人腦工程及DNA鑒定等領(lǐng)域都有著碳的身影。2011年，美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員用碳納米管成功制造出了一個(gè)能模擬大腦突觸功能的電路，為構(gòu)建人工合成大腦奠定了基礎(chǔ)。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員，則開(kāi)發(fā)出了通過(guò)將碳納米管注入活細(xì)胞中，檢測(cè)是否存在DNA破壞物質(zhì)的技術(shù)。

　　去年9月，斯坦福大學(xué)的研究人員推出了全球首臺(tái)完全由碳納米晶體管制成的工作計(jì)算機(jī)，朝著未來(lái)電子產(chǎn)品更小、更快、功能更強(qiáng)大的方向又前進(jìn)了一步。美國(guó)斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授薩巴辛·米特拉的研究室，制出了集成178個(gè)CNT的晶體管的CNT微處理器，該處理器如果通過(guò)外接存儲(chǔ)器，能夠作為可編程的計(jì)算機(jī)運(yùn)行。

　　廠商密集布局產(chǎn)業(yè)鏈

　　碳材料的數(shù)字潛力令研究人員和業(yè)界人士著迷。2012年，IBM在碳納米管芯片的制造技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，有望讓摩爾定律在下一個(gè)十年中繼續(xù)生效下去。IBM研究團(tuán)隊(duì)成功將碳納米管簇?cái)[放在硅晶片上，做出了包含一萬(wàn)多個(gè)晶體管的硅-碳納米管雜合芯片。

　　向波音787客機(jī)提供碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的日本東麗，則計(jì)劃于今年開(kāi)始銷(xiāo)售采用雙層CNT的觸摸面板。去年10月，東麗曾宣布以5.84億美元收購(gòu)世界碳纖維排名第三的美國(guó)Zoltek公司，并藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應(yīng)商，將產(chǎn)品全球份額提高到30%，繼續(xù)確保市場(chǎng)份額占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

　　在汽車(chē)業(yè)同樣存在這股熱潮。東麗便曾獲得美國(guó)碳纖維強(qiáng)化塑料汽車(chē)部件廠商PCC的20%股份，目的在于擴(kuò)大汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)。海外媒體近日?qǐng)?bào)道稱(chēng)，寶馬汽車(chē)公司與汽車(chē)碳纖維生產(chǎn)商SGL 計(jì)劃投資逾1億歐元，以將合作生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)量從每年3000噸提高到6000噸，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的寶馬i系列電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)需求。

　　早在2012年，寶馬便聯(lián)手美國(guó)波音航空公司共同開(kāi)發(fā)碳纖維技術(shù)，分別用于各自的汽車(chē)和航空制造行業(yè)。去年又有報(bào)道稱(chēng)，寶馬計(jì)劃在美國(guó)華盛頓州再度投資1億美元用于生產(chǎn)該公司電動(dòng)車(chē)的碳纖維材料。

　　此外，據(jù)外媒披露，寶馬正在專(zhuān)注于輕量化部件的研發(fā)工作，如果進(jìn)展順利，寶馬將會(huì)在兩年內(nèi)發(fā)布全碳纖維方向盤(pán)，此外還在嘗試研發(fā)由碳纖維和鋁合金材質(zhì)打造的輕量化輪圈，這種全新輪圈將會(huì)比常規(guī)鋁合金輪圈的重量輕25%左右。

　　日本帝人公司開(kāi)發(fā)的采用熱可塑性樹(shù)脂的新型碳纖維復(fù)合材料“Sereebo”，在去年被尼康公司的新款數(shù)碼單反相機(jī)D5300采用。這是“Sereebo”首次被用于實(shí)際產(chǎn)品。NEC也在去年宣布，開(kāi)始銷(xiāo)售名為“碳納米角”的碳納米管，這種材料有助于提高電容器的容量以及藥物載體的安全性等。該公司表示，碳納米角除了應(yīng)用于蓄電電容器、以壓力或電力控制開(kāi)關(guān)等功能的執(zhí)行器，以及燃料電池等以外，還可應(yīng)用包括藥物載體等醫(yī)療相關(guān)領(lǐng)域。

　　而在去年，科技業(yè)巨頭蘋(píng)果曾提交了一份專(zhuān)利申請(qǐng)，內(nèi)容是關(guān)于在一些設(shè)備中搭載太陽(yáng)能電池的解決方案。據(jù)海外媒體猜測(cè)，該專(zhuān)利與麻省理工學(xué)院的石墨烯太陽(yáng)能電池的科研成果有關(guān)。

　　擁抱工業(yè)的未來(lái)

　　如果要問(wèn)碳的概念有多少吸引力，去年發(fā)生在英國(guó)的一種現(xiàn)象或許可以證明。當(dāng)時(shí)，英國(guó)金融監(jiān)管機(jī)構(gòu)曾發(fā)布警告稱(chēng)，“可疑”的公司盯上了消費(fèi)者，向他們兜售投資石墨烯的機(jī)會(huì)。在這一現(xiàn)象的背后，是石墨烯吸引了市場(chǎng)的炒作。

　　不少觀點(diǎn)認(rèn)為，碳納米管和石墨烯等各種碳類(lèi)材料將取代現(xiàn)有材料，比如硅，成為電子領(lǐng)域的主角。事實(shí)上，石墨烯自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，迅速成為全球各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)和跨國(guó)企業(yè)競(jìng)相投入巨資開(kāi)發(fā)的超級(jí)材料。

　　歐盟委員會(huì)將石墨烯列為僅有的兩個(gè)“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，提供10億歐元用于資助石墨烯材料研究。中國(guó)在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出積極開(kāi)發(fā)石墨烯材料。

　　海外媒體觀察指出，各國(guó)對(duì)于碳材料的關(guān)注立足點(diǎn)各不相同。美國(guó)致力于CNT的研究，而歐洲專(zhuān)注于石墨稀的實(shí)用化，中國(guó)則在CNT和石墨稀兩方面推進(jìn)研發(fā)和實(shí)用化。在碳材料的納米技術(shù)方面，中國(guó)處于全球領(lǐng)先地位。有幾項(xiàng)調(diào)查表明，擁有石墨稀相關(guān)專(zhuān)利數(shù)量最多的是中國(guó)，其次是美國(guó)和韓國(guó)。

　　一些區(qū)域間的合作也在展開(kāi)，去年9月，日本麗陽(yáng)與泰國(guó)國(guó)有能源企業(yè)PTT簽訂備忘錄，共同探討在東盟地區(qū)開(kāi)展碳纖維及碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)。兩者預(yù)計(jì)東盟地區(qū)的碳纖維需求會(huì)增加。雙方考慮將汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)業(yè)聚集的泰國(guó)作為設(shè)備投資的戰(zhàn)略基地。除了汽車(chē)業(yè)方面的用途，三菱麗陽(yáng)和PTT還將探討用于天然氣、可再生能源、土木工程及基礎(chǔ)設(shè)施的碳纖維復(fù)合材料成型品。

　　據(jù)ResearchMoz 本周發(fā)布報(bào)告稱(chēng)，在2013年，風(fēng)力發(fā)電和汽車(chē)等工業(yè)應(yīng)用顯示出對(duì)碳纖維的最大需求，占到總需求的超過(guò)60%，緊隨其后的是航空。伴隨碳纖維的應(yīng)用比例越來(lái)越高，其需求增長(zhǎng)也堅(jiān)挺。

　　報(bào)道顯示，在2013年，全球碳纖維的產(chǎn)能大約12萬(wàn)噸，主要由日本和美國(guó)貢獻(xiàn)，其中日本東麗、帝人等五大企業(yè)占據(jù)總體產(chǎn)能的55%。但近幾年來(lái)，中國(guó)的碳纖維市場(chǎng)發(fā)展迅速。該機(jī)構(gòu)指出，中國(guó)的碳纖維產(chǎn)能以53.5%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，在2013年達(dá)到約1.8萬(wàn)噸。

　　TechNavio的分析師則在本周預(yù)計(jì)，從2014至2018年，全球碳納米管市場(chǎng)將以11.53%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率。其中對(duì)增長(zhǎng)起到貢獻(xiàn)的一大原因是碳納米管有取代其他材料的潛力。

　　如曾經(jīng)參與碳納米管計(jì)算機(jī)項(xiàng)目研究的薩巴辛·米特拉所言：“人們?cè)f(shuō)，你們永遠(yuǎn)都無(wú)法制造這種東西。”當(dāng)各種交通工具和電子產(chǎn)品不斷被“碳化”，這或許意味著一場(chǎng)全面的電子工業(yè)革命已經(jīng)到來(lái)。（⊙記者 王宙潔 ○編輯 毛明江）