I cinque centri di ricerca sul grafene più importanti del mondo e i principali istituti di ricerca sul grafene della Cina

Essendo il primo materiale bidimensionale ad essere scoperto, il grafene ha rapidamente attirato l'attenzione e l'interesse della ricerca in tutto il mondo sin dal suo inizio nel 2004. Sebbene siano passati 15 anni, la ricerca sul grafene e sui relativi materiali bidimensionali è ancora calda e i campi di ricerca emergenti sono costantemente in fase di sviluppo. Sullo sfondo dell'attuale nuovo ciclo di aggiornamento industriale e rivoluzione tecnologica, l'industria dei nuovi materiali diventerà sicuramente la pietra angolare e leader del futuro sviluppo delle industrie high-tech e avrà un profondo impatto sullo sviluppo del mercato globale. economia, tecnologia, ambiente e altri campi. La Cina è un paese con grandi risorse di grafite e uno dei paesi più attivi nella ricerca e nello sviluppo di applicazioni sul grafene.

Essendo un nuovo materiale a base di carbonio, il grafene ha buone proprietà ottiche, elettriche, termiche e meccaniche. Ha ampie prospettive di applicazione nei campi dell'informazione elettronica, dei nuovi materiali, della nuova energia e della biomedicina. Sta diventando una nuova tecnologia globale e una nuova rivoluzione industriale. Focus.Attualmente, più di 80 paesi in tutto il mondo hanno investito nella ricerca e nello sviluppo di materiali in grafene e Stati Uniti, Gran Bretagna, Corea del Sud, Giappone ed Europa hanno addirittura elevato la ricerca sul grafene a livello strategico nazionale. Questo articolo presenterà i cinque principali centri di ricerca sul grafene del mondo nell'attuale campo di ricerca e i principali istituti di ricerca sul grafene in Cina.

1. Istituto nazionale del grafene di Manchester

Il grafene è stato inventato all'Università di Manchester. Nel 2010, i fisici Andre Heim e Konstantin Novoselov dell'Università di Manchester hanno vinto il Premio Nobel per la fisica quell'anno per i loro risultati nella ricerca sul grafene. Essendo il paese di nascita del grafene, il Regno Unito ha visto le infinite prospettive di sviluppo del grafene, un super materiale. Mirando a un nuovo ciclo di rivoluzione industriale, nel 2011, il governo britannico ha deciso di costruire il National Graphene Institute (NGI) presso l'Università di Manchester. Nel 2015 è stata ufficialmente fondata la NGI, costata 61 milioni di sterline.

NGI è l'attuale fonte di ricerca relativa al grafene nel Regno Unito e anche nel mondo. La missione principale di NGI è quella di esplorare continuamente i campi di frontiera della scienza e dell'applicazione dei materiali bidimensionali (2D), tenendo conto dell'industrializzazione e della commercializzazione del grafene e dei materiali bidimensionali. Con NGI come centro, il Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) e l'Henry Royce Research Institute intraprendono e sviluppano i risultati della ricerca NGI ed esplorano costantemente nuovi modelli di applicazione commerciale dei materiali 2D. La collaborazione è fondamentale presso il National Graphene Institute. Più di 80 aziende hanno collaborato con l'Università di Manchester per lavorare su applicazioni del grafene.

Nel 2019, NGI ha pubblicato quasi 60 articoli in totale, inclusi 5 articoli su riviste regolari del NS, 3 articoli su riviste Dazi e circa 19 articoli su riviste importanti come Nature Communication e le serie ACS. Le statistiche mostrano che quasi la metà delle nuove riviste principali di NGI sono correlate a eterogiunzioni di materiali 2D, riportando principalmente fluidi elettronici nuovi o anomali e fenomeni optoelettronici in materiali 2D in eterostrutture, concentrandosi sulla fisica fondamentale.

2. Centro di ricerca sul grafene di Cambridge

Il Cambridge Graphene Centre (CGC), come il Manchester NGI, fa parte del Graphene Collaborative Innovation Group del Regno Unito. CGC è posizionato come centro di innovazione ingegneristica. Il suo compito principale è quello di collegare il mondo accademico e industriale, promuovere l’industrializzazione del grafene e dei materiali 2D e promuovere la commercializzazione dei risultati della ricerca scientifica applicata, con particolare attenzione alle applicazioni relative ai materiali 2D.

Lo scopo principale dell’investimento in CGC è colmare le lacune in due aspetti: (1) per la produzione industriale, ricercare il sistema di apparecchiature di processo su scala pilota, testare e ottimizzare la tecnologia di stampa a getto d’inchiostro basata su grafene, nanomateriali e altri nuovi materiali 2D; (2) Affrontare i requisiti per lo stoccaggio dell'energia come l'autoalimentazione e l'interconnessione wireless, la ricerca su dispositivi integrati intelligenti basati su basi trasparenti e flessibili. L'uso del grafene e di altri materiali correlati per consentire nuovi dispositivi elettronici e optoelettronici flessibili ed efficienti dal punto di vista energetico è la sfida principale del lavoro di cui sopra.

Per superare gradualmente le difficoltà di cui sopra, CGC ha sviluppato la ricerca relativa ai materiali 2D da quattro direzioni generali: (1) crescita, trasferimento e stampa del materiale; (2) applicazioni energetiche; (3) interconnessione dei dispositivi; (4) applicazioni di sensori.

Nel 2019, il dottor Colm Durkan del Nanoscience Center dell'Università di Cambridge ha proposto nella rivista Adv una soluzione semplice ed efficace per rimuovere i residui di PMMA dalle superfici di grafene. Madre.

Figura 1. Diagramma schematico della fabbricazione di un dispositivo di grafene.a) Grafene cresciuto tramite CVD rivestito con PMMA sfuso come strato di supporto su un foglio di rame.b) Dopo il trasferimento su un substrato di silicio e rimosso il PMMA sfuso, è stata lasciata una superficie di grafene ma con alcuni residui polimerici.c) Dopo lo sviluppo del resist dopo la litografia a fascio di elettroni per contatti grafene-metallo modellati, sulla superficie del grafene rimangono più residui di PMMA.d) Questi residui vengono quindi intrappolati tra il grafene e gli elettrodi metallici dopo metallizzazione.e,f) Dopo i due passaggi di (b) e (c), il trattamento dei campioni in soluzione ionica come proposto in questo lavoro può rimuovere efficacemente i residui sulla superficie del grafene.

Per comprendere le osservazioni, va riconosciuto che il PMMA è idrofobo, come lo è il grafene. Pertanto, il PMMA aderisce fortemente alla superficie del grafene. Il PMMA ha una struttura portante di carbonio con catene laterali di esteri. Quando esposto a pH basso (come nel caso dell'HCl), gli esteri possono idrolizzarsi per produrre alcoli (che si disperderanno in soluzione) e acidi grassi, che rimangono attaccati alla struttura portante. Questa forma acida del PMMA sarà idrofila e quindi i) avrà interazioni più deboli con il grafene sottostante, e ii) interagirà più fortemente con l'acqua. La combinazione dei due determina una lenta dissoluzione del PMMA. Per quanto riguarda l'azione di NaCl, possono verificarsi diverse reazioni, inclusa la clorurazione dei gruppi metilici pendenti del PMMA per produrre cloruro di metile, anch'esso altamente polare e quindi solubile in acqua.

3. Istituto Spagnolo di Optoelettronica

L'Institute of Photonic Science (ICFO) è un centro di ricerca di livello mondiale focalizzato sulla ricerca optoelettronica. Recluta scienziati di ricerca fondamentale e applicata di fascia alta nel campo dell'optoelettronica da tutto il mondo. Promuovere l'applicazione della tecnologia optoelettronica avanzata. In considerazione delle nuove proprietà optoelettroniche e del rapido sviluppo del grafene e dei materiali 2D, parallelamente alla quantistica e alla nanobiologia, l'ICFO apre in modo indipendente un nuovo campo di ricerca sul grafene e sui materiali 2D, sperando di utilizzare materiali 2D per sostituire i tradizionali materiali optoelettronici e risolvere gli attuali problemi affrontati dal campo dell'optoelettronica. Difficoltà e sfide. Vengono svolte sia l'esplorazione scientifica di base che la ricerca applicativa emergente. L'ICFO ha stabilito quattro principali direzioni di esplorazione e ricerca nella scienza di base e nelle applicazioni emergenti.

Nel 2017, l'Istituto spagnolo di scienze fotoniche ha prodotto per la prima volta un sensore di imaging CMOS a punti quantici di grafene ad alta risoluzione. Nel 2019, i gruppi di ricerca sopra menzionati hanno pubblicato un totale di 15 articoli, inclusi quasi 6 articoli nelle principali riviste delle serie Nature, PRL e ACS. Gli argomenti caldi degli articoli riguardano principalmente i campi degli oscillatori nanoelettromeccanici di materiali bidimensionali, del grafene ad angolo magico e dell'optoelettronica del grafene.

In termini di energia, l’ICFO mira a esplorare possibili vie di applicazione del grafene in dispositivi fotovoltaici semitrasparenti e a sviluppare dispositivi di energia rinnovabile attraverso l’applicazione di nuovi materiali funzionali e nanostrutture.

In termini di rilevamento ad alta precisione, la ricerca dell'ICFO si concentra su spettrometri di massa ad alta risoluzione e sistemi opto-meccanici basati su oscillatori nanoelettromeccanici al grafene e sullo sviluppo parallelo di rilevatori nel medio infrarosso basati sul grafene, rilevatori di gas e applicazioni biochimiche per sensori di DNA, proteine, ecc.

In termini di fotonica dei plasmoni di superficie, studia principalmente la regolazione elettrica e il rilevamento dei plasmoni di grafene e la modulazione ottica basata sui plasmoni di grafene.

In ottica di base, studia principalmente l'ottica nano-quantistica, il grafene artificiale, l'ottica ultraveloce e l'ottica non lineare del grafene.

In termini di applicazioni di sistemi di imaging, ICFO ricerca principalmente sensori di immagine basati sulla tecnologia CMOS in grado di coprire la luce ultravioletta-visibile-infrarossa profonda.

In termini di applicazioni indossabili, la ricerca principale riguarda sistemi di rilevamento sanitario flessibili e traslucidi, in grado di rilevare efficacemente molteplici parametri sanitari come l’ossigeno nel sangue.

In termini di fotorilevatori, la ricerca si concentra principalmente su rilevatori a banda ultralarga basati sull’assorbimento a banda larga e rilevatori integrati che combinano grafene, punti quantici e altri materiali 2D.

In termini di sensori flessibili, studia principalmente sensori flessibili abilitati dal grafene e altri materiali 2D, inclusi sensori ottici, RFID, sensori biochimici, sensori di gas, schermi flessibili e superfici antibatteriche, super lubrificate, ecc.

4. Centro di ricerca avanzata sui materiali 2D, Università Nazionale di Singapore

Nel 2010, l'Università Nazionale di Singapore (NUS) ha annunciato che avrebbe creato un nuovo centro di ricerca, focalizzato principalmente sui materiali bidimensionali (come il grafene). Il cosiddetto '2D Materials Center' (2MC) riceverà 40 milioni di dollari in finanziamenti dalla National Research Foundation nei prossimi 10 anni.

Simile a Manchester NGI e Cambridge CGC, il NUS Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) presso l'Università Nazionale di Singapore è un nuovo centro di ricerca creato con l'aiuto dell'ondata di sviluppo di materiali 2D. , caratterizzazione, modellazione teorica e applicazioni, ecc. per esplorare e seguire le tecnologie rivoluzionarie portate dai materiali 2D.

Pertanto, CA2DM è diviso in quattro grandi gruppi di ricerca: (1) gruppo del grafene; (2) altro gruppo di materiali 2D; (3) Combinazione di dispositivi 2D; (4) gruppo teorico.CA2DM è attualmente il più grande centro di ricerca completo per materiali 2D a Singapore ed è in prima linea nei paesi asiatici nella ricerca scientifica di base e nelle applicazioni industriali basate su materiali 2D.

Nel 2019, CA2DM ha pubblicato un totale di 96 articoli, 1 sulla rivista principale Nature, quasi 40 su riviste importanti come le sottoriviste NS, Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy e le serie ACS, coprendo quasi tutte le direzioni di ricerca di cui sopra.

5. Samsung Institute of Technology, Corea del Sud

Lo sviluppo dell'industria coreana del grafene è strettamente integrato con la produzione, l'istruzione e la ricerca, e lo sviluppo della ricerca di base e dell'industrializzazione è relativamente equilibrato. Soprattutto a livello delle imprese industriali, SAIT ha investito molti sforzi in ricerca e sviluppo per garantire che il grafene possa essere utilizzato in display flessibili, touch screen e chip. leadership internazionale nel settore.

Il Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) della Corea del Sud è affiliato al cluster aziendale di esplorazione e sviluppo del Gruppo Samsung. Ricercare tecnologie leader o originali per nuovi mercati; (2) Promuovere l'integrazione e l'innovazione tecnologica; (3) Promuovere lo sviluppo delle nanotecnologie; (4) Ricercare tecnologie dirompenti.

Il grafene ha un grande potenziale per migliorare e trasformare diverse industrie nei prossimi 10 anni e si prevede anche che creerà un gran numero di nuovi posti di lavoro in Europa e nel mondo. Pertanto, è molto importante esaminare quali campi industriali specifici il grafene è più importante da un punto di vista tecnico.

Uno dei migliori istituti di ricerca sul grafene in Cina: il Beijing Graphene Research Institute

Il Beijing Graphene Research Institute (BGI) è una joint venture fondata nel 2016 dall'Università di Pechino, dal China National Building Materials Group, dal China Baoan Group e da altre imprese leader del settore con il supporto del governo municipale di Pechino, concentrandosi sulla ricerca tecnologica di base e sullo sviluppo dell'industria del grafene, un'agenzia di ricerca e sviluppo di fascia alta. Allo stesso tempo, BGI Technology Co., Ltd. è stata fondata come vettore della trasformazione dei risultati e della promozione dell'industrializzazione del Beijing Graphene Research Institute. Il primo preside è un esperto di materiali in nanocarbonio di fama internazionale, L'accademico Liu Zhongfan dell'Università di Pechino e il vincitore del Premio Nobel, il professor Konstantin Novoselov dell'Università di Manchester, sono invitati come decano onorario.

Il Beijing Graphene Research Institute collega lo sviluppo industriale e le principali esigenze nazionali, espone le principali tecnologie chiave dell'industria del grafene, implementa un nuovo modello di servizio per ricerca e sviluppo di fascia alta e fonderia, coltiva una serie di applicazioni killer del grafene e incuba un gruppo di gruppi di imprese high-tech del grafene, per coltivare centinaia di miliardi di cluster dell'industria del grafene e costruire la competitività principale dell'industria del grafene del mio paese.

È la fonte della tecnologia di base che guida l’industria del grafene, il meccanismo di innovazione dell’industria high-tech e l’area dimostrativa della cultura dell’innovazione, il luogo di raccolta globale dei talenti di fascia alta del grafene, l’aggregato sinergico delle risorse dell’industria del grafene e l’altopiano dell’innovazione e dell’imprenditorialità.

Al momento, i materiali di grafene preparati sono tutt'altro che ideali, quindi quello che ho detto spesso di recente è che i materiali di grafene di oggi non sono equivalenti ai futuri materiali di grafene e gli attuali usi del grafene potrebbero non essere nemmeno molto utili. Potrebbe non essere il nucleo delle industrie future. Per noi, dobbiamo arrivare all'estremo per formare un'industria e la preparazione determina il futuro. La chiave è se possiamo realizzare materiali di grafene davvero buoni.

pellicola di grafene

Per quanto riguarda il futuro dell’industria del grafene, si baserà sull’applicazione killer dei materiali di grafene, non come additivo panacea. Il mercato interno si concentra principalmente su questi prodotti, tra cui abbigliamento, rivestimenti, materiali compositi, adsorbimento, prodotti di lubrificazione, batterie al litio con grafene, braccialetti intelligenti, touch screen di telefoni cellulari in grafene, ecc. Sensori connessi, dispositivi indossabili e gestione della salute, comunicazione dati, tecnologia energetica, compositi e altro ancora.

Per quanto riguarda lo status quo dell'industria cinese dei materiali al grafene, c'è una seria tendenza a cercare un successo rapido e vantaggi immediati, una mancanza di attenzione alla tecnologia di base della futura industria del grafene, un gran numero di brevetti, ma un'insufficiente capacità di innovazione e una mancanza di reali diritti di proprietà intellettuale. Inoltre, l'hype nel mercato dei capitali è confuso, il parco industriale è costruito alla cieca e il fenomeno della semplice ripetizione è grave. Gli standard di test non sono ancora stati stabiliti, i prodotti del mercato sono misti e i finanziamenti sono sparsi e gravemente insufficienti. dovrebbe chiarire la propria posizione decisionale, concentrarsi in futuro sulla disposizione delle tecnologie chiave dell’industria del grafene e consegnare prodotti di fascia bassa al mercato e alle imprese.

Brevetto sul grafene

Secondo la ricerca di Cambridge IP, una società britannica di consulenza brevettuale, a maggio 2014, il numero di brevetti richiesti per il grafene nel mondo era 11.372, di cui 3.060 in Asia, mentre Europa e Regno Unito ne avevano rispettivamente solo 361 e 41, chiaramente in ritardo. Il numero di brevetti nel campo del grafene deve essere esaminato attentamente.

Al momento, la Cina e la Corea del Sud hanno richiesto un gran numero di brevetti nel campo del grafene e l’Ufficio europeo dei brevetti è molto esigente nel concedere brevetti, quindi il numero di domande di brevetto depositate in Europa è relativamente piccolo. Il divario nel numero di brevetti non è un indicatore del fatto che l’Europa sia in ritardo in questa tecnologia.

In termini di numero assoluto di brevetti, è innegabile che l’Europa sia in ritardo, ma la sua qualità non è inferiore a quella di altri paesi. Molti brevetti cinesi non sono internazionali; La Corea del Sud ha dozzine di brevetti in un determinato campo, mentre i brevetti europei coprono un’ampia gamma di campi di ricerca. L’Europa e il Regno Unito hanno bisogno di più brevetti e stanno lavorando in tal senso, ma il numero di brevetti deve essere esaminato con maggiore attenzione.