英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫於2004年成功地從石墨中剝離出石墨烯，並表徵了它的性質，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
石墨烯，因其擁有獨特的物理性能而被廣泛關注。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、導電性和導熱性最好的材料，“多才多藝”的性質使得石墨烯有著廣闊的應用前景，可以運用在計算機芯片上，大幅度提高計算速度。用石墨烯作為導電添加劑，可以顯著提高鋰電池的充電速度和綜合性能。所以人們稱它為會改變世界的材料。
我們有幸採訪了石墨烯領域的領軍人物，同時也是《物理化學學報》的主編——劉忠範院士，為我們分享他的研究經歷及對國內外石墨烯行業的分析。
全文刊登在2019年第8期787–791頁，doi: 10.3866/PKU.WHXB201904035
專訪內容
問題1：劉院士，作為享譽世界的石墨烯領域的領軍人物，您是否還記得您是何時因何種契機對石墨烯這個新興的領域產生濃厚興趣的？
回答：我原來是做碳納米管的，碳納米管和石墨烯是姊妹關係，因為把單層石墨片捲起來就變成了碳納米管。當時經常這樣介紹碳納米管，現在看來不捲起來更重要。2004年10月22日第一篇石墨烯文章問世，兩位主要作者在6年後斬獲諾貝爾獎，繼而掀起了延續至今的石墨烯熱。我實際上是2008年開始進入石墨烯領域的。從碳納米管到石墨烯，正好經歷了十年的時間。我為什麼會選擇做石墨烯呢？因為石墨烯和碳納米管從製備方法、表徵技術到物理性質都非常類似，所以很多碳納米管玩家都闖入了石墨烯領域。我從2004年到2008年一直在觀望石墨烯，2008年花了大半年時間滿世界參加相關學術會議做深入調研，最後才下定決心的。現在看來這個決策非常正確，因為從產業化的角度來看，石墨烯比碳納米管靠譜得多。
問題2：在科研的道路上有哪些重要的人影響了您？
回答：我曾經寫過一篇回憶文章，標題是《興趣、機遇與選擇》，回顧了我三十歲以前的一些經歷，其中提到了幾位對我影響非常大的老師。我初中和高中的化學老師都教得特別好，所以我喜歡化學，在高考時毫不猶豫地報考了化工專業。到了大學之後，物理化學課的老師講得非常好，於是我後來選擇了物理化學專業繼續深造。大學畢業之後赴日本留學，從橫濱國立大學到東京大學，遇到了恩師藤島昭先生。也正是藤島昭先生把我真正領進了科學的殿堂，讓我領略了科學的魅力。在藤島昭先生的實驗室學習了五年之後，帶著對新知識的渴求，我選擇到有過一面之緣的有機半導體研究先驅井口洋夫先生那裡做博士後，我後來從事交叉學科研究也與這位老先生密切相關。井口洋夫先生讓我對科學的認識又提升了一個層次。我到北京大學工作也與一位老先生有關，他就是蔡生民先生，現在我們見面他還會親切地喊我“小劉”。他當年極力動員我到北京大學工作，可以說對我的人生規劃產生了深遠的影響。我回國之後，得到了蔡生民先生的方方面面的支持。所以在人生道路上遇到的多位良師是我的運氣，他們對我的學業和人生都產生了至關重要的影響。
問題3：您研究石墨烯已經超過10年了，您認為石墨烯領域有哪些最重要的發現？
回答：石墨烯屬於二維材料，早年二維材料並沒有得到人們的重視，因為按照朗道(L.D. Landau)和佩爾斯(R.E. Peierls)的理論，二維材料是不能穩定存在的。2004年安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的文章的真正價值並不在於發現了石墨烯，而是第一次實驗測量了二維材料石墨烯的性質。本來被認為不應該存在的東西，不但被做出來了，而且還發現它的性質非常“好玩”。當然，現在人們認為，理論並沒有錯，這種現實存在的二維材料並非真正的理想平面結構，而是存在著波紋狀結構。這個波紋非常非常的小，只有埃量級，所以很難測量出來。當把石墨烯這樣的二維材料放到支撐襯底上時，這種波紋結構就會消失了。就像高山上下了一層雪，它不是雪的形狀，是山的形狀。
石墨烯領域重要的發現非常多。石墨烯材料的導電性比銀還好，導熱性也是目前最好的。早期的石墨烯研究就展示了諸多新奇的性質，如最小量子電導率、半整數量子霍爾效應、反常量子霍爾效應、室溫量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、Klein隧穿、贗磁場等。最新的研究發現，雙層石墨烯存在著“魔角”，當轉角為1.1°左右時，出現超導現象。儘管炒的有點過頭，但也的確說明石墨烯仍然是有繼續開墾價值的富礦。
問題4：您能否列舉一些您的課題組正在進行的最重要的幾個項目？
回答：我的團隊從事了10年的石墨烯研究，在石墨烯材料製備和殺手鐧級應用探索方面取得了一系列創新性成果，正是這些突破催生了北京石墨烯研究院。我比較得意的代表性工作有以下幾個。首先是我們發明的超潔淨石墨烯製備技術。高溫爐子裡生長出來的石墨烯薄膜其實很髒，通常大家都認為是剝離過程中帶來的汙染物。我們的研究發現，這些髒東西是生長過程中的本徵汙染物，與生俱來的東西。為此，我們發明了沒有本徵汙染的超潔淨石墨烯薄膜生長方法，這種乾淨的石墨烯在剝離後也是乾淨的。超潔淨石墨烯顯示出接近理論極限的優良特性，代表著石墨烯材料生長的發展前沿。
第二個是超級石墨烯玻璃，我們通過長達五年的艱苦努力，實現了在普通玻璃上的石墨烯生長。目前全世界只有我們能夠做出來，屬於重大技術突破。石墨烯通常是在金屬催化劑表面生長出來的，金屬催化劑起著催化裂解碳源分子和降低石墨化溫度的作用。我們最早嘗試在普通玻璃上生長石墨烯。因為沒有高效的催化劑存在，難度可想而知。經過不懈的努力和堅持，我們找到了訣竅，發明了一系列生長技術，實現了在任意玻璃上的高質量石墨烯生長。這種超級石墨烯玻璃，既擁有非常好的導電性，又擁有極好的導熱性，同時保持了足夠的透光度，表面化學特性也發生了根本性變化，完全不同於傳統的玻璃。超級石墨烯玻璃擁有廣闊的應用前景，手機觸摸屏、透明暖氣片、智能窗、投影屏、高效細胞培養皿、光學傳感器，等等。
我們的得意之作還有烯碳光纖，這是一個全新的研究領域。我們在石英光纖表面直接生長高質量的石墨烯薄膜，已經實現了批量製備。這種新一代的烯碳光纖可用於製備電光調製器、超快激光器、光纖傳感器以及特種防腐光纖。我們之所以有此突破，得益於超級石墨烯玻璃的前期工作基礎。這也是我的突發奇想，因為光纖是石英玻璃纖維，石墨烯在玻璃上可以生長，自然在光纖上應該也可以。
石墨烯原材料製備是我們的強項，也是未來石墨烯產業的基石。我們目前已經實現了四英寸無褶皺單晶石墨烯晶圓的批量製備，年產量能達到一萬片；多晶石墨烯薄膜年產量達到兩萬平方米；石墨烯玻璃年產量達到五千平方米；石墨烯玻璃纖維布也實現批量生產。我們不僅製備高端石墨烯材料，還製造石墨烯裝備，並將很快投放市場。
問題5：您研究石墨烯以來，您的研究側重點是否發生了改變？
回答：在逾十年的石墨烯研究中，前五年石墨烯產業化的前景還不明朗，所以我主要從事基礎研究，發展高品質石墨烯材料的生長方法和化學修飾方法，探索石墨烯材料的應用領域，自然也是追求發文章，發所謂的高檔次文章。從2013年左右開始，我的側重點發生了重大變化。儘管發了很多不錯的文章，在國際上也已經小有名氣，但缺少真正的成就感。這時我面臨著一個新的抉擇，是像很多石墨烯玩家一樣，尋找新的文章富礦，進入其他二維材料領域，還是繼續做石墨烯研究。經短暫的思考，我下定決心在石墨烯材料的產業化推進方面做點事情，從此開始了一個充滿挑戰和荊棘的新徵程。五年多的實踐表明，與做真正有實用價值的產業化技術研發相比，發文章實在是太容易了，因為後者不必關心有用沒用，好玩就行。一旦考慮到實用性，就會發現很多發文章的“套路”都行不通了。我經常跟學生講，如果只是為了發文章，我可以有一百個主意，發一百篇文章，但是當考慮產業化前景時，就只剩下十個主意了，難度大幅度提升，因為你不能玩花樣了。即便是十個主意，到最後可能只有一兩個是行得通的，甚至一個不通，這才是真正的挑戰性工作。我的體會是，要做點真正有用的東西，或者上貨架，或者上書架，不能把你的精力和才華浪費到玩花樣上。真正對科學有用的東西，不是說發幾篇好文章，而是能夠留到科學史上，寫到教科書裡。而真正對產業有用的東西，那是實實在在的實用性技術，需要經過千錘百煉，浴火重生。所以從這個角度講，“頂天”也難，“立地”更難。但是我們目前的評價機制，是鼓勵大家只做對自己有用的東西，發一大堆所謂的高檔次文章，拿一大堆頭銜，換來更好的待遇而已。從2008年至今已經整整十年，我的團隊完成了從實驗室到北京石墨烯研究院的跨越。下一個十年將會如何，我充滿期待。有一點非常清楚，絕非幾篇文章的產出，而必將是一個新的飛躍。
問題6：目前中國石墨烯的研究是否走在了國際前列？
回答：我經常被問到這個問題，北京石墨烯研究院的石墨烯研究肯定已經走在了世界的前列。中國石墨烯研究的整體水平是否已經走在了前列應該從兩個方面來看。一方面是統計數據，從2011年起，中國的石墨烯文章數量已經位居世界第一，接近六萬篇，遠遠超過第二名美國的兩萬多篇；中國申請的石墨烯專利佔了全球的54%以上，也是遙遙領先。目前中國涉及石墨烯業務的公司已經超過五千家，並且呈現迅速增加之勢。因此，從統計學意義上講，中國的石墨烯研究已經領先世界，擁有絕對的“數量”優勢。但是，數字後面也隱藏著巨大的危機。我正在組織一個正式的調研活動，進行全國性的實地調查，瞭解中國石墨烯產業的發展現狀，為國家制定相關政策提供決策依據。我們已經在北京和江蘇走訪了多家石墨烯企業，應該說不容樂觀，掙扎在生死線上的企業絕非少數。另一方面，我在各種場合也一直在講，中國的石墨烯研究跟國外不在一個頻道上。我們更關注馬上能賺到錢的東西，我們有七百多家石墨烯塗料企業，還有眾多的石墨烯電熱器和所謂的大健康企業、以及更多的石墨烯電池玩家，石墨烯內衣、石墨烯襪子、石墨烯護腰、石墨烯口罩，甚至還有石墨烯首飾，應有盡有。反觀國外，他們更多關注的是未來，是高大上的石墨烯產品開發，如柔性石墨烯邏輯電路、石墨烯微波通訊器件、石墨烯太赫茲傳感器、石墨烯傳感器和光探測器、石墨烯汽車、石墨烯海水淡化技術等。顯而易見，這些東西不可能立即變現，不能期待幾年之內就有多麼大的產業，但是它們代表著石墨烯材料的未來。我特別擔心的是，我們起了個大早，趕了個晚集。因為我們只關注現在，根本沒有考慮未來。
問題7：目前石墨烯領域的發展存在的最大的挑戰有哪些？
回答：有兩個挑戰，首先是製備問題，製備決定未來。未來的石墨烯產業依賴於石墨烯材料本身，沒有好的材料也就失去了產業的根基，所以把材料做好是關鍵。石墨烯製備看似簡單，實際上想要做好不容易，雖然我做了十年石墨烯薄膜生長，感覺是越做越難。這點與碳纖維材料非常相似。碳纖維已有將近六十年的歷史，質量也是一個逐漸提升的過程。早年的碳纖維只能用做釣魚竿和高爾夫球杆。而現在的碳纖維複合材料是航空航天和國防軍工領域的殺手鐧級材料，波音787就大量使用了這種新型複合材料。目前的石墨烯材料質量還差得遠，在製備技術上還有非常大的提升空間。還要考慮價格問題，好的材料自然比較貴，太貴了市場無法接受。儘管我不贊成“物美價廉”的口號，但是太貴的話很難被市場所接受，相信未來可以通過規模化的生產同時解決質量和價格問題。
第二個挑戰是應用問題。理論上石墨烯有著廣闊的應用前景，但現實是更多地作為“工業味精”使用，似乎放在哪裡都挺好，既虛實難辨，也不是不可替代。人們需要找到石墨烯材料的“殺手鐧”級用途，非它莫屬，缺它不行。理性地講，這條路還很漫長。
問題8：您認為石墨烯材料發展和應用對普通人的生活會有哪些影響？
回答：我給石墨烯材料勾畫了三種前途。第一種前途類似於碳纖維材料，在某些領域找到不可或缺的用途，成為殺手鐧級的應用。第二種前途類似於塑料，一百年前人們發明了塑料，極大地便利了人類生活，已經滲透在日常生活的方方面面。石墨烯材料也有這種潛質，因為理論上有太多的可能，在未來也可能像塑料一樣進入我們的日常生活。第三種前途類似於硅材料。沒有硅材料，就沒有集成電路，自然也就無法進入信息化時代。甚至可以講，我們現在生活在“硅時代”。石墨烯材料擁有遠優於硅材料的電子學特性，可用來製造未來的超快集成電路。在未來的某一天，石墨烯材料有可能替代硅材料，製造“碳基集成電路”，從而把人類帶入“碳時代”。當然，這還是一個美好的夢想，需要解決諸多技術問題。
問題9：作為國內石墨烯行業頂尖研究院的創辦者，您對國內同樣開展石墨烯研究的課題組，有什麼好的建議嗎？
回答：第一是不要太著急，不能過於急功近利。應弘揚工匠精神，把一件事情做到極致。因為真正的核心技術，是“熬”出來的，需要耐心。我研究石墨烯十年了，尤其在石墨烯薄膜製備方面下了極大的功夫，但是也不敢說解決了所有問題。第二是不要一哄而上，做低水平的重複性工作，進行惡性競爭，這是沒有前途的。第三是從基礎研究抓起，深入挖掘石墨烯這個富礦，找到新的性質和新的用途，前面提到的雙層石墨烯的超導效應就是一個典型的例子。
問題10：隨著期刊競爭的日益激烈，尤其是在英文期刊一統科技界的形勢下，很多中文期刊都轉為英文，您作為中文期刊的主編，您認為中文期刊存在的價值和意義在哪裡？對中文期刊的發展有什麼建議？
回答：中文期刊的角色定位與英文期刊完全不同，我與《科學通報》主編高福院士在這方面有著高度共識，絕不能簡單地拿所謂的影響因子高低說事兒，影響因子不是衡量中文期刊水平的唯一標準。中文期刊是一個向國人傳播本領域最新最前沿研究進展的學術平臺，這是英文期刊所不具備的。毋庸置疑，不是所有的國人都是英語達人，也不是所有的人都願意看英文期刊，我們的企業研發人員或許更重視中文期刊。另外，從文化傳承層面上講，中國人應有用母語寫的學術期刊。我對中文期刊的建議是，高度重視文章的學術質量，及時、準確地向國人傳播最前沿的科技進展，這是中文期刊的使命所在。
問題11：您從教多年培養了大批優秀的青年科學家，有一些已經成為業內的領軍人物。您在培養學生方面有哪些經驗可以與大家分享？您對青年科學家的期望是什麼？
回答：回國26年，我最大的驕傲是培養的教授/研究員已經超過50個，還有眾多的副教授。我的目標是在有生之年，至少培養100個教授。我願意去發現人才、培養人才，在這方面深受我導師的影響。我經常提醒自己，做導師不易，會影響學生的一生，要以身作則，不能大意。我的絕大多數學生在畢業之後還在從事科研工作，說明並沒有討厭科研這條路。作為導師要重視言傳身教，身教勝於言傳。如果你自己不喜歡科研這條路，難以想象你會說服學生喜歡。學生是導師的“作品”，而不是廉價勞動力。帶學生也是一門藝術，要給他們足夠的空間，去發揮，去發展，去展示自己的才華。我還有一個目標，要培養十個億萬富翁，讓學生們真正體會到，知識就是財富。我在全力以赴地推進北京石墨烯研究院工作，這是一個很好的平臺，也是一個很好的實現第二個目標的抓手，我充滿期待。
我希望青年科學家要沉下心來，做點真正有價值的東西，要麼上貨架，要麼上書架。我非常理解青年科學家們揹負的各種壓力，但是不必操之過急，因為做學問是一輩子的事情，不必只爭朝夕。找到一個自己喜歡的方向，堅持做下去，你一定會有所成就，一定會被大家所認可。
人物簡介
劉忠範，北京大學博雅講席教授，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中組部首批萬人計劃傑出人才，教育部首批長江學者特聘教授，首批國家傑出青年科學基金獲得者。英國物理學會會士，英國皇家化學會會士，中國微米納米技術學會會士。1983年畢業於長春工業大學，1984年留學日本，1990年獲東京大學博士，1990–1993年東京大學和國立分子科學研究所博士後。1993年6月回北京大學任教，同年晉升教授。
現任北京石墨烯研究院院長、北京大學納米科學與技術研究中心主任。中國化學會副理事長、中國國際科技促進會副會長、中關村石墨烯產業聯盟理事長、中關村科技園區豐臺園科協第三屆委員會主席、教育部科技委委員及學風建設委員會副主任和國際合作學部副主任。曾任北京大學現代物理化學研究中心主任(1995–2002)，物理化學研究所所長(2006–2014)，北京市科委掛職副主任（2016–2017），北京市低維碳材料工程中心主任（2013–2018），國家攀登計劃(B)、973計劃和納米重大研究計劃項目首席科學家，國家自然科學基金“表界面納米工程學”創新研究群體學術帶頭人(三期)等。
主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究，在石墨烯、碳納米管的化學氣相沉積生長方法及其應用領域做出了一系列開拓性和引領性工作，是國際上具有代表性的納米碳材料研究團隊之一。發表學術論文560餘篇，申請中國發明專利100餘項。近年來致力於推進石墨烯的產業化核心技術研發工作並不斷取得重要突破，發明了超級石墨烯玻璃、超潔淨石墨烯、烯碳光纖、石墨烯玻璃纖維、石墨烯光化學能帶工程等一系列新概念和新技術，推動了石墨烯領域的快速發展。在早期工作中，還建立了基於掃描探針顯微技術的針尖化學研究方法和超高密度光電化學信息存儲方法，率先將有機小分子自組裝技術引入準一維碳納米管研究領域，建立了單壁碳納米管的有序自組裝方法等。
獲日中科技交流協會“有山兼孝紀念研究獎”(1992)、香港求是科技基金會傑出青年學者獎(1997)、中國分析測試協會科學技術獎一等獎(2005)、教育部高等學校科學技術獎自然科學一等獎(2007)、國家自然科學二等獎(2008, 2017)、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎(2012)、寶鋼優秀教師特等獎(2012)、日本化學會膠體與界面化學年會Lectureship Award(2016)、北京大學方正教師特別獎(2016)、“北京市優秀教師”(2017)、ACS Nano LectureshipAward(2018)等。
現任“物理化學學報”主編、“科學通報”副主編，Adv. Mater.、ACS Nano、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、APL Mater.、National Science Review等國際期刊編委或顧問編委。
第十二屆全國人大代表，第十三屆全國政協常委，北京市政協副主席。九三學社第十四屆中央委員會副主席，九三學社北京市第十三屆委員會主任委員。
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