Los cinco principales centros de investigación de grafeno del mundo y las principales instituciones de investigación de grafeno de China

Como primer material bidimensional descubierto, el grafeno ha atraído rápidamente la atención y el interés de la investigación en todo el mundo desde su creación en 2004. Aunque han pasado 15 años, la investigación sobre el grafeno y los materiales bidimensionales relacionados todavía está en auge y se desarrollan constantemente campos de investigación emergentes. En el contexto de la nueva ronda actual de modernización industrial y revolución tecnológica, la industria de nuevos materiales seguramente se convertirá en la piedra angular y líder del desarrollo futuro de las industrias de alta tecnología, y tendrá un profundo impacto en el desarrollo del mundo. economía, tecnología, medio ambiente y otros campos. China es un país con grandes recursos de grafito y uno de los países más activos en la investigación y el desarrollo de aplicaciones de grafeno.

Como nuevo material a base de carbono, el grafeno tiene buenas propiedades ópticas, eléctricas, térmicas y mecánicas. Tiene amplias perspectivas de aplicación en los campos de la información electrónica, nuevos materiales, nuevas energías y biomedicina. Se está convirtiendo en una nueva tecnología global y una nueva revolución industrial. Enfoque.En la actualidad, más de 80 países de todo el mundo han invertido en la investigación y el desarrollo de materiales de grafeno, y Estados Unidos, Gran Bretaña, Corea del Sur, Japón y Europa incluso han elevado la investigación del grafeno a un nivel estratégico nacional.Este artículo presentará los cinco principales centros de investigación de grafeno del mundo en el campo de investigación actual y las principales instituciones de investigación de grafeno en China.

1. Instituto Nacional de Grafeno de Manchester

El grafeno fue inventado en la Universidad de Manchester. En 2010, los físicos Andre Heim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester ganaron el Premio Nobel de Física ese año por sus logros en la investigación del grafeno. Como país de origen del grafeno, el Reino Unido ha visto infinitas perspectivas de desarrollo del grafeno, un supermaterial. Con el objetivo de iniciar una nueva ronda de revolución industrial, en 2011, el gobierno británico decidió construir el Instituto Nacional de Grafeno (NGI) en la Universidad de Manchester. En 2015 se creó oficialmente NGI, que costó 61 millones de libras.

NGI es la fuente actual de investigación relacionada con el grafeno en el Reino Unido e incluso en el mundo. La misión principal de NGI es explorar continuamente los campos fronterizos de la ciencia y la aplicación de materiales bidimensionales (2D), teniendo en cuenta la industrialización y comercialización del grafeno y los materiales bidimensionales. Con NGI como centro, el Centro de Innovación en Ingeniería de Grafeno (GEIC) y el Instituto de Investigación Henry Royce emprenden y desarrollan los resultados de la investigación de NGI, y exploran constantemente nuevos modelos de aplicación comercial de materiales 2D. La colaboración es clave en el Reino Unido e incluso en el mundo. Instituto Nacional del Grafeno. Más de 80 empresas se han asociado con la Universidad de Manchester para trabajar en aplicaciones de grafeno.

En 2019, NGI ha publicado casi 60 artículos en total, incluidos 5 artículos en revistas regulares de NS, 3 artículos en revistas Dazi y alrededor de 19 artículos en revistas importantes como Nature Communication y la serie ACS. Las estadísticas muestran que casi la mitad de las nuevas revistas principales de NGI están relacionadas con heterouniones de materiales 2D, informando principalmente fluidos electrónicos novedosos o anómalos y fenómenos optoelectrónicos en materiales 2D en heteroestructuras. centrándose en la física fundamental.

2. Centro de Investigación del Grafeno de Cambridge

El Cambridge Graphene Center (CGC), al igual que Manchester NGI, forma parte del UK Graphene Collaborative Innovation Group. CGC se posiciona como un centro de innovación en ingeniería. Su principal tarea es unir la academia y la industria, promover la industrialización del grafeno y los materiales 2D, y promover la comercialización de los resultados de la investigación científica aplicada, con énfasis en las aplicaciones relacionadas con los materiales 2D.

El objetivo principal de invertir en CGC es llenar los vacíos en dos aspectos: (1) para la producción industrial, investigar el sistema de equipos de proceso a escala piloto, probar y optimizar la tecnología de impresión por inyección de tinta basada en grafeno, nanomateriales y otros nuevos materiales 2D; (2) Frente a los requisitos de almacenamiento de energía, como el autoabastecimiento y la interconexión inalámbrica, la investigación sobre dispositivos integrados inteligentes basados ​​en bases transparentes y flexibles. El uso de grafeno y otros materiales relacionados para permitir nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos flexibles y energéticamente eficientes es el desafío central del trabajo anterior.

Para superar gradualmente las dificultades anteriores, CGC ha implementado investigaciones relacionadas con materiales 2D desde cuatro direcciones generales: (1) crecimiento, transferencia e impresión de materiales; (2) aplicaciones energéticas; (3) interconexión de dispositivos; (4) aplicaciones de sensores.

En 2019, el Dr. Colm Durkan del Centro de Nanociencia de la Universidad de Cambridge propuso una solución simple y eficaz para eliminar residuos de PMMA en superficies de grafeno en la revista Adv. Madre.

Figura 1. Diagrama esquemático de la fabricación de dispositivos de grafeno.a) Grafeno cultivado con CVD recubierto por rotación con PMMA a granel como capa de soporte sobre una lámina de Cu.b) Después de la transferencia a un sustrato de silicio y se eliminó el PMMA a granel, quedó una superficie de grafeno pero con algunos residuos de polímero.c) Después del desarrollo de resistencia después de la litografía con haz de electrones para contactos estampados de grafeno-metal, quedan más residuos de PMMA en la superficie del grafeno.d) Estos residuos quedan atrapados entre el grafeno y los electrodos metálicos después metalización.e, f) Después de los dos pasos de (b) y (c), tratar las muestras en solución iónica como se propone en este trabajo puede eliminar eficazmente los residuos en la superficie del grafeno.

Para comprender las observaciones, se debe reconocer que el PMMA es hidrófobo, al igual que el grafeno. Por lo tanto, el PMMA se adhiere fuertemente a la superficie del grafeno. El PMMA tiene una columna vertebral de carbono con cadenas laterales de éster. Cuando se exponen a un pH bajo (como es el caso del HCl), los ésteres pueden hidrolizarse para producir alcoholes (que se dispersarán en solución) y ácidos grasos, que permanecen unidos a la columna vertebral. Esta forma ácida de PMMA será hidrofílica y, por lo tanto, tendrá interacciones más débiles. con el grafeno subyacente, y ii) interactuará más fuertemente con el agua. La combinación de los dos da como resultado una disolución lenta del PMMA. En cuanto a la acción del NaCl, pueden ocurrir diferentes reacciones, incluida la cloración de los grupos metilo colgantes del PMMA para producir cloruro de metilo, que también es altamente polar y, por lo tanto, soluble en agua.

3. Instituto Español de Optoelectrónica

El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) es un centro de investigación de clase mundial centrado en la investigación en optoelectrónica. Recluta científicos de investigación fundamental y aplicada de alto nivel en optoelectrónica de todo el mundo. Promover la aplicación de tecnología optoelectrónica avanzada. En vista de las nuevas propiedades optoelectrónicas y el rápido desarrollo del grafeno y los materiales 2D, en paralelo con la cuántica y la nanobiología, el ICFO abre de forma independiente un nuevo campo de investigación del grafeno y los materiales 2D, con la esperanza de utilizar materiales 2D para reemplazar los materiales optoelectrónicos tradicionales y resolver los problemas actuales que enfrenta el campo de la optoelectrónica. Dificultades y desafíos. Se llevan a cabo tanto la exploración de ciencias básicas como la investigación de aplicaciones emergentes. ICFO ha establecido cuatro direcciones principales de exploración e investigación en ciencia básica y aplicaciones emergentes.

En 2017, el Instituto Español de Ciencias Fotónicas produjo por primera vez un sensor de imágenes CMOS de puntos cuánticos de grafeno de alta resolución. En 2019, los grupos de investigación antes mencionados han publicado un total de 15 artículos, incluidos casi 6 artículos en las principales revistas de las series Nature, PRL y ACS. Los temas candentes de los artículos se encuentran principalmente en los campos de los osciladores nanoelectromecánicos de materiales bidimensionales, el grafeno de ángulo mágico y la optoelectrónica de grafeno.

En términos de energía, el ICFO pretende explorar vías de aplicación viables para el grafeno en dispositivos fotovoltaicos semitransparentes y desarrollar dispositivos de energía renovable mediante la aplicación de nanoestructuras y materiales funcionales novedosos.

En términos de detección de alta precisión, la investigación del ICFO se centra en espectrómetros de masas de superresolución y sistemas optomecánicos basados ​​en osciladores nanoelectromecánicos de grafeno, y en el desarrollo paralelo de detectores de infrarrojo medio, detectores de gas y aplicaciones bioquímicas para sensores de ADN, proteínas, etc. basados ​​en grafeno.

En términos de fotónica de plasmones de superficie, estudia principalmente la regulación eléctrica y detección de plasmones de grafeno, y la modulación óptica basada en plasmones de grafeno.

En óptica básica, estudia principalmente óptica nanocuántica, grafeno artificial, óptica ultrarrápida y óptica no lineal de grafeno.

En términos de aplicaciones de sistemas de imágenes, ICFO investiga principalmente sensores de imágenes basados ​​en tecnología CMOS que pueden cubrir luz ultravioleta-visible-infrarroja profunda.

En términos de aplicaciones portátiles, la principal investigación se centra en sistemas de detección de salud flexibles y translúcidos, que pueden detectar eficazmente múltiples parámetros de salud, como el oxígeno en sangre.

En cuanto a fotodetectores, la investigación se centra principalmente en detectores de banda ultraancha basados ​​en absorción de banda ancha y detectores integrados que combinan grafeno, puntos cuánticos y otros materiales 2D.

En cuanto a sensores flexibles, estudia principalmente sensores flexibles habilitados por grafeno y otros materiales 2D, incluidos sensores ópticos, RFID, sensores bioquímicos, sensores de gas, pantallas flexibles y superficies antibacterianas, superlubricadas, etc.

4. Centro de Investigación de Materiales 2D Avanzados, Universidad Nacional de Singapur

En 2010, la Universidad Nacional de Singapur (NUS) anunció que crearía un nuevo centro de investigación, centrado principalmente en materiales bidimensionales (como el grafeno). El llamado 'Centro de Materiales 2D' (2MC) recibirá 40 millones de dólares de financiación de la Fundación Nacional de Investigación durante los próximos 10 años.

Al igual que Manchester NGI y Cambridge CGC, el Centro NUS de Materiales 2D Avanzados (CA2DM) de la Universidad Nacional de Singapur es un nuevo centro de investigación creado con la ayuda de la ola de desarrollo de materiales 2D. , caracterización, modelado teórico y aplicaciones, etc. para explorar y seguir las tecnologías revolucionarias que aportan los materiales 2D.

Por tanto, CA2DM se divide en cuatro grandes grupos de investigación: (1) grupo del grafeno; (2) otro grupo de materiales 2D; (3) combinación de dispositivos 2D; (4) grupo teórico.CA2DM es actualmente el centro de investigación integral de materiales 2D más grande de Singapur, y está a la vanguardia de los países asiáticos en investigación científica básica y aplicaciones industriales basadas en materiales 2D.

En 2019, CA2DM ha publicado un total de 96 artículos, 1 en la revista principal Nature, casi 40 en revistas importantes como las subrevistas NS, Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy y las series ACS, que cubren casi todas las direcciones de investigación anteriores.

5. Instituto de Tecnología Samsung, Corea del Sur

El desarrollo de la industria del grafeno en Corea está estrechamente integrado con la producción, la educación y la investigación, y el desarrollo de la investigación básica y la industrialización está relativamente equilibrado. Especialmente a nivel de empresas industriales, SAIT ha invertido muchos esfuerzos en I+D para garantizar que el grafeno pueda utilizarse en pantallas flexibles, pantallas táctiles y chips. liderazgo internacional en el campo.

El Instituto Avanzado de Tecnología Samsung (SAIT) de Corea del Sur está afiliado al grupo empresarial de exploración y desarrollo del Grupo Samsung. Investigar tecnologías líderes u originales para nuevos mercados; (2) Promover la integración tecnológica y la innovación; (3) Promover el desarrollo de la nanotecnología; (4) Investigar tecnologías disruptivas.

El grafeno tiene un gran potencial para mejorar y transformar varias industrias en los próximos 10 años, y también se espera que cree una gran cantidad de nuevos puestos de trabajo en Europa y en todo el mundo. Por lo tanto, es muy importante examinar qué campos industriales específicos el grafeno es más importante desde un punto de vista técnico.

Una de las principales instituciones de investigación de grafeno en China - Beijing Graphene Research Institute

El Instituto de Investigación de Grafeno de Beijing (BGI) es una empresa conjunta establecida en 2016 por la Universidad de Pekín, el Grupo Nacional de Materiales de Construcción de China, el Grupo Baoan de China y otras empresas líderes en la industria con el apoyo del Gobierno Municipal de Beijing, centrándose en la investigación y el desarrollo de tecnología central de la industria del grafeno, una agencia de investigación y desarrollo de alto nivel. Al mismo tiempo, BGI Technology Co., Ltd. se estableció como el portador de la transformación de logros y la promoción de la industrialización del Instituto de Investigación de Grafeno de Beijing. El primer decano es el experto en materiales de nanocarbono de renombre internacional, El académico Liu Zhongfan de la Universidad de Pekín y el premio Nobel, el profesor Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester, están invitados como decano honorario.

El Instituto de Investigación de Grafeno de Beijing conecta el desarrollo industrial y las principales necesidades nacionales, establece las tecnologías clave centrales de la industria del grafeno, implementa un nuevo modelo de servicio para I+D y fundición de alta gama, cultiva una serie de aplicaciones que eliminan el grafeno e incuba un grupo de grupos empresariales de alta tecnología de grafeno para cultivar cientos de miles de millones de grupos industriales de grafeno y desarrollar la competitividad central de la industria del grafeno de mi país.

Es la fuente de la tecnología central que lidera la industria del grafeno, el mecanismo de innovación de la industria de alta tecnología y el área de demostración de la cultura de innovación, el lugar global de reunión de talentos de alto nivel del grafeno, el agregado sinérgico de recursos de la industria del grafeno y la montaña de innovación y emprendimiento.

En la actualidad, los materiales de grafeno preparados están lejos de ser ideales, por lo que lo que he dicho a menudo recientemente es que los materiales de grafeno actuales no son equivalentes a los materiales de grafeno futuros, y que los usos actuales del grafeno pueden ni siquiera ser muy útiles. Puede que no sea el núcleo de las industrias futuras. Para nosotros, debemos llegar al extremo para formar una industria, y la preparación determina el futuro. La clave es si podemos fabricar materiales de grafeno realmente buenos.

película de grafeno

En cuanto a la futura industria del grafeno, se basará en la aplicación letal de los materiales de grafeno, no como un aditivo panacea. El mercado interno se centra principalmente en estos productos, que incluyen ropa, recubrimientos, materiales compuestos, adsorción, productos de lubricación, baterías de litio de grafeno, pulseras inteligentes, pantallas táctiles de teléfonos móviles de grafeno, etc. Sensores conectados, dispositivos portátiles y gestión de la salud, comunicaciones de datos, tecnología energética, compuestos y más.

Con respecto al status quo de la industria de materiales de grafeno de China, existe una seria tendencia a buscar éxito rápido y beneficios instantáneos, falta de atención a la tecnología central de la futura industria del grafeno, una gran cantidad de patentes, pero capacidad de innovación insuficiente y falta de derechos de propiedad intelectual básicos reales. Además, la exageración en el mercado de capitales es confusa, el parque industrial se construye a ciegas y el fenómeno de la simple repetición es grave. Aún no se han establecido estándares de prueba, los productos del mercado son mixtos y la financiación está dispersa y grave. insuficiente.El gobierno debería aclarar su posición en la toma de decisiones, centrarse en el diseño de las tecnologías centrales de la industria del grafeno en el futuro y entregar productos de gama baja al mercado y a las empresas.

Patente de grafeno

Según una investigación de Cambridge IP, una firma británica de consultoría de patentes, en mayo de 2014, el número de patentes solicitadas para el grafeno en el mundo era 11.372, de las cuales 3.060 correspondían a Asia, mientras que Europa y el Reino Unido tenían solo 361 y 41 respectivamente, claramente por detrás. El número de patentes en el campo del grafeno debe examinarse detenidamente.

En la actualidad, China y Corea del Sur han solicitado una gran cantidad de patentes en el campo del grafeno, y la Oficina Europea de Patentes es muy exigente a la hora de conceder patentes, por lo que el número de solicitudes de patente presentadas en Europa es relativamente pequeño. La brecha en el número de patentes no es un indicador de que Europa se esté quedando atrás en esta tecnología.

En términos de número absoluto de patentes, es innegable que Europa va a la zaga, pero su calidad no es inferior a la de otros países.Muchas patentes chinas no son internacionales; Corea del Sur tiene docenas de patentes en un campo determinado, mientras que las patentes europeas cubren una amplia gama de campos de investigación. Europa y el Reino Unido necesitan más patentes y están trabajando para lograrlo, pero es necesario examinar más detenidamente el número de patentes.