從特斯拉或者寶馬產(chǎn)電動車，到蘋果出品的可穿戴設(shè)備，再到波音實驗室里的新型機翼——由碳系家族支撐的各種新材料，正在現(xiàn)代工業(yè)的每一個角落躍躍欲試，伺機大展拳腳。

　　上個世紀，戈登·摩爾曾為硅的盛行大膽預言。到了今天，硅材料短板漸顯，而作為“后摩爾時代”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。

　　因為石油和煤，第一次工業(yè)革命也被稱為“黑金革命”，而當我們身邊的交通工具和電子產(chǎn)品不斷被“碳化”，一場全面的、電子化的新工業(yè)革命，或許近在眼前。

　　為了將機翼變得更輕盈和有韌性，Aeromotions的創(chuàng)始人格雷戈里·馬克開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雜還很昂貴。為了解決這一問題，馬克將目光轉(zhuǎn)向3D打印機，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打印機應(yīng)運而生。

　　在馬克眼中，這比科學更需要藝術(shù)感。他說，Mark One只是一臺更大的工業(yè)機器的“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領(lǐng)域躍躍欲試。上個世紀，戈登·摩爾為硅的盛行作出大膽預言，而如今硅材料漸漸顯示出短板，碳開始成為“后摩爾時代”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。

　　后摩爾時代的碳奇跡

　　上世紀六十年代，芯片巨頭英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾作出了一個大膽的預言：半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。這種工藝的演進步伐讓半導體芯片產(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：當有太多回路塞進一個太小空間時，就會導致溫度升高，造成效率受阻。

　　2004年，這種擔憂迎來緩解希望。當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·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，他們將其稱為“石墨烯”。

　　獨特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯特別的機械和電子性能，使它具有超薄、強韌、穩(wěn)定、導電性好等諸多其他材料無法比擬的優(yōu)點，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獎。

　　對于獲獎?wù)咧Z沃消洛夫來說，石墨烯有著美好的未來。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，帶來革命性的技術(shù)進步。

　　這種材料有多神奇？如果將其運用于鋰離子電池，充滿一次手機電池大概只需要5秒鐘，即使是特斯拉純電動汽車，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，富勒烯在太陽能電池中發(fā)揮重要作用，2013年三菱化學已經(jīng)開始量產(chǎn)并開始樣品供貨。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年獲得諾貝爾化學獎。

　　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，上世紀七十年代也有日本科學家對此發(fā)表報告，不過直到1991年，它才正式被賦予這樣一個名字。當同門的另外兩大兄弟都已經(jīng)被諾貝爾獎惠顧，CNT似乎仍在原地踏步，其存在類似于缺乏高純度量產(chǎn)技術(shù)及金屬催化劑雜質(zhì)殘留等問題。

　　不過，如今它們中的大部分都已經(jīng)開始有了解決之道。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體型等差異進行分離。

　　打開宏觀世界應(yīng)用空間

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

　　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。名古屋大學教授伊丹健一郎率領(lǐng)的研究小組在《自然·化學》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報告了這一成果，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比增強劑。

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

　　去年11月，工信部網(wǎng)站印發(fā)《加快推進碳纖維行業(yè)發(fā)展行動計劃》。根據(jù)《計劃》，經(jīng)過三年努力，初步建立碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)體系，碳纖維的工業(yè)應(yīng)用市場初具規(guī)模。行動目標提出，到2020年，我國碳纖維技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和綜合競爭能力達到國際水平。

　　伴隨新型碳材料的出現(xiàn)，更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也開始打開大門。2011年，美國國家航空航天局（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的材料。高光吸收率可以幫助測量更遠距離天體。

　　美國斯坦福大學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帶來希望。

　　此外，超級電容、人腦工程及DNA鑒定等領(lǐng)域都有著碳的身影。2011年，美國南加州大學的研究人員用碳納米管成功制造出了一個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)。美國麻省理工學院的研究人員，則開發(fā)出了通過將碳納米管注入活細胞中，檢測是否存在DNA破壞物質(zhì)的技術(shù)。

　　去年9月，斯坦福大學的研究人員推出了全球首臺完全由碳納米晶體管制成的工作計算機，朝著未來電子產(chǎn)品更小、更快、功能更強大的方向又前進了一步。美國斯坦福大學電子工程學、計算機科學副教授薩巴辛·米特拉的研究室，制出了集成178個CNT的晶體管的CNT微處理器，該處理器如果通過外接存儲器，能夠作為可編程的計算機運行。

　　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)上取得了突破性進展，有望讓摩爾定律在下一個十年中繼續(xù)生效下去。IBM研究團隊成功將碳納米管簇擺放在硅晶片上，做出了包含一萬多個晶體管的硅-碳納米管雜合芯片。

　　向波音787客機提供碳纖維增強樹脂基復合材料的日本東麗，則計劃于今年開始銷售采用雙層CNT的觸摸面板。去年10月，東麗曾宣布以5.84億美元收購世界碳纖維排名第三的美國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)確保市場份額占絕對優(yōu)勢。

　　在汽車業(yè)同樣存在這股熱潮。東麗便曾獲得美國碳纖維強化塑料汽車部件廠商PCC的20%股份，目的在于擴大汽車碳纖維復合材料業(yè)務(wù)。海外媒體近日報道稱，寶馬汽車公司與汽車碳纖維生產(chǎn)商SGL 計劃投資逾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，以滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車的市場需求。

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

　　此外，據(jù)外媒披露，寶馬正在專注于輕量化部件的研發(fā)工作，如果進展順利，寶馬將會在兩年內(nèi)發(fā)布全碳纖維方向盤，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，這種全新輪圈將會比常規(guī)鋁合金輪圈的重量輕25%左右。

　　日本帝人公司開發(fā)的采用熱可塑性樹脂的新型碳纖維復合材料“Sereebo”，在去年被尼康公司的新款數(shù)碼單反相機D5300采用。這是“Sereebo”首次被用于實際產(chǎn)品。NEC也在去年宣布，開始銷售名為“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)巨頭蘋果曾提交了一份專利申請，內(nèi)容是關(guān)于在一些設(shè)備中搭載太陽能電池的解決方案。據(jù)海外媒體猜測，該專利與麻省理工學院的石墨烯太陽能電池的科研成果有關(guān)。

　　擁抱工業(yè)的未來

　　如果要問碳的概念有多少吸引力，去年發(fā)生在英國的一種現(xiàn)象或許可以證明。當時，英國金融監(jiān)管機構(gòu)曾發(fā)布警告稱，“可疑”的公司盯上了消費者，向他們兜售投資石墨烯的機會。在這一現(xiàn)象的背后，是石墨烯吸引了市場的炒作。

　　不少觀點認為，碳納米管和石墨烯等各種碳類材料將取代現(xiàn)有材料，比如硅，成為電子領(lǐng)域的主角。事實上，石墨烯自被發(fā)現(xiàn)以來，迅速成為全球各國政府、科研機構(gòu)和跨國企業(yè)競相投入巨資開發(fā)的超級材料。

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

　　海外媒體觀察指出，各國對于碳材料的關(guān)注立足點各不相同。美國致力于CNT的研究，而歐洲專注于石墨稀的實用化，中國則在CNT和石墨稀兩方面推進研發(fā)和實用化。在碳材料的納米技術(shù)方面，中國處于全球領(lǐng)先地位。有幾項調(diào)查表明，擁有石墨稀相關(guān)專利數(shù)量最多的是中國，其次是美國和韓國。

　　一些區(qū)域間的合作也在展開，去年9月，日本麗陽與泰國國有能源企業(yè)PTT簽訂備忘錄，共同探討在東盟地區(qū)開展碳纖維及碳纖維復合材料業(yè)務(wù)。兩者預計東盟地區(qū)的碳纖維需求會增加。雙方考慮將汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)聚集的泰國作為設(shè)備投資的戰(zhàn)略基地。除了汽車業(yè)方面的用途，三菱麗陽和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)施的碳纖維復合材料成型品。

　　據(jù)ResearchMoz 本周發(fā)布報告稱，在2013年，風力發(fā)電和汽車等工業(yè)應(yīng)用顯示出對碳纖維的最大需求，占到總需求的超過60%，緊隨其后的是航空。伴隨碳纖維的應(yīng)用比例越來越高，其需求增長也堅挺。

　　報道顯示，在2013年，全球碳纖維的產(chǎn)能大約12萬噸，主要由日本和美國貢獻，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，中國的碳纖維市場發(fā)展迅速。該機構(gòu)指出，中國的碳纖維產(chǎn)能以53.5%的復合年均增長率增長，在2013年達到約1.8萬噸。

　　TechNavio的分析師則在本周預計，從2014至2018年，全球碳納米管市場將以11.53%的復合年均增長率。其中對增長起到貢獻的一大原因是碳納米管有取代其他材料的潛力。

　　如曾經(jīng)參與碳納米管計算機項目研究的薩巴辛·米特拉所言：“人們曾說，你們永遠都無法制造這種東西。”當各種交通工具和電子產(chǎn)品不斷被“碳化”，這或許意味著一場全面的電子工業(yè)革命已經(jīng)到來。（⊙記者 王宙潔 ○編輯 毛明江）