欧盟石墨烯旗舰计划未结题就已见回报

返朴

2021-11-30 10:22
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撰文 | 瞿立建

欧盟石墨烯旗舰计划LOGO

2009年,欧盟内阁机构欧洲委员会(European Commission)认为,欧盟为应对大的科技挑战,应施行长期的、跨学科的研发计划。

欧盟陆续启动了三个这样的大项目,称为旗舰计划。2013年启动了两个旗舰计划,分别是石墨烯旗舰和人脑旗舰。2018年,开始启动第三个旗舰计划——量子科技。三个旗舰计划都是为期10年,拨款10亿欧元(约76亿元人民币)。

石墨烯旗舰计划的目标是创造这种二维材料的应用和市场,使欧洲屹立于科技前沿。这个大项目有多大影响力,耗费的巨额公共支出是不是值,付出的聪明才智是不是有相应的收获,再过几年,可见分晓。

“在过去的七年里,石墨烯旗舰计划成功地使石墨烯走出了实验室,在欧洲创造出了一个富有成效的工业生态系统,在这个系统里,石墨烯和层状材料的应用生机勃勃,”石墨烯旗舰的2020年年度报告说:“今天,这个工业生态系统有100多家公司,它们与石墨烯旗舰计划的学术伙伴在汽车、航空工业、电子、能源、复合材料和生物医药广泛等领域展开合作。”

虽然距离结题还有两年半的时间,石墨烯旗舰声称已经孵化出大约90种含墨烯的产品,这些产品应用于各种领域,比如灵敏度是硅基传感器10倍的霍尔效应传感器,以及高音和低音增强的耳机。其他利基产品包括改善牵引力的自行车轮胎,具有卓越灵活性和耐久性的网球拍,能化解强冲击的摩托车头盔,以及高性能空调。半导体行业采用的石墨烯化学气相沉积系统也源于石墨烯旗舰计划。

沉积在硅片上的石墨烯层,非营利性机构比利时微电子研究中心(IMEC)开发,用于微电子和计算。

石墨烯旗舰计划领导者、瑞典查尔姆斯理工大学的凝聚态物理学家亚里·基纳雷特(Jari Kinaret)说,相关学术研究产出,以每欧元经费所产出的专利和论文发表数量来衡量,“我们做得非常好”。

但是,类似规模的特定技术合作(如果有的话)世上罕见,所以对其绩效的评估在很大程度上是主观的。基纳雷特说:“谁能提出一个可量化的、有意义的关键绩效指标,我请他吃大餐。我等这个人已经很多年了。”

旗舰技术创新部负责人卡利·耶尔特(Kari Hjelt)表示,整个计划完成之时,将接受经济影响同行评议评估。但他警告说,评估指标是做不到完整无缺的,因为从研究到商业化通常需要15年或更长时间。他指出,到目前为止,有一点是明确的,石墨烯旗舰计划助长了欧洲工业界的冒险精神,更敢于将新成果商业化。

旗舰计划与美国的产学研合作模式很不同。在美国,通常是产业界出钱,资助学界做研究出成果,而石墨烯旗舰计划给商业合作伙伴报销直接研发支出。

目前,石墨烯旗舰计划大约有170家参与单位,大学和产业界约各占一半。计划开始时,75%的成员来自学术界。基纳雷特说:“坦率地说,一些产业界参与者可能更多的是打酱油,而不是做研究。”他表示,石墨烯旗舰计划启动时的路线图就已明确,随着项目的进展,逐渐提高产业界参与度。

石墨烯旗舰计划到2023年结题前,还有1.5亿欧元的经费。其中45%将用于应用研究,15%将用于基础研究。研究在四个广泛的主题领域进行:面向现实目标的科学和材料、健康、医药和传感器、电子与光子元件集成、能源、复合材料和量产。

石墨烯旗舰计划30%的预算用于先锋项目,这类项目由产业引领,多机构参与,旨在将特定石墨烯产品商业化。剩余的约10%的预算用于管理支持服务,包括标准开发、产品性能测试和项目治理。

科技推动

目前的11个先锋项目是去年启动的,预计将于2023年9月结题。基纳雷特说,按照项目设计,这些项目只能进展到原型阶段。需要欧盟委员会的特别许可才能继续推进。产品的完全商业化不在旗舰项目计划之内。

意大利医疗仪器公司Medica SpA负责Graphil先锋项目,开发饮用水石墨烯过滤器。

意大利医疗仪器公司Medica SpA的过滤器和医疗应用实验室主管莱蒂齐亚·博基(Letizia Bocchi)领导Graphil先锋项目(Graphil Spearhead Project),该项目正在开发接到饮用水水龙头上的过滤器。这种过滤器中,将氧化石墨烯嵌入用聚合物纺成的中空纤维中,可吸附有机污染物,如抗生素和全氟化合物,没有石墨烯,这些污染物就会逃脱纤维机械过滤结构。另外,Graphil项目的方法不会产生废水,这是反渗透净水器所做不到的。

石墨烯粉末,意大利能源和制造业公司BeDimensional生产,这家公司是石墨烯旗舰计划孵化的公司。

法国公司Polymem和英国公司Icon LifeSaver也是Graphil先锋项目参与者,学界的参与者有意大利国家研究理事会、瑞典查尔姆斯理工大学和英国曼彻斯特大学。

博基指出,公司单打独斗搞攻关,是负担不起所需的研发费用的,因此,政府的支持至关重要。“我们正在建设一家专门生产这种纤维的工厂,这是一笔巨大的投资。”她补充称,旗舰计划在欧盟的高知名度,吸引其他公司主动上门联系,表达合作兴趣。

断路器先锋项目正在利用石墨烯的自润滑特性开发性能更优的断路器,以为电力供应商和消费者——如风电场、医院和数据中心等——提供保护。断路器中为机械功能保驾护航的传统物质是润滑油,已经用了百年,不过,润滑油有个严重的缺点,它随着时间的推移会分解,必须定期更换。

瑞典ABB公司的首席科学家安娜·安德森 (Anna Andersson) 是断路器项目的领导者。她说,研究人员正在评估将石墨烯涂层电镀或烧结到金属基底之上这个技术的前景。这个项目的其他产业界成员还有瑞典的材料生产商Graphmatech和意大利的材料公司Nanesa。学界成员有查尔姆斯理工大学、曼彻斯特大学、希腊研究和技术基金会Hellas以及罗马第二大学。

德国爱思强公司的机器在进行石墨烯化学气相沉积,应用于化合物半导体。该技术是由这家德国公司通过“石墨烯旗舰计划”开发的。

Autovision是另一先锋项目,目标是研发自动驾驶汽车用传感器,能够在能见度很低的情况下探测物体和道路弯折状况。该项目的主导公司是Qurv科技公司,这家公司是从西班牙光子科学研究所(ICFO)孵化出来的。Qurv的石墨烯量子点图像传感器技术是广谱计算机视觉技术中的代表性技术,且与CMOS制造工艺兼容。

全球最大的汽车安全设备供应商、瑞典-美国合资公司奥托立夫(Autoliv)旗下的Veoneer,与比利时微电子研究中心(IMEC)和德国科技公司爱思强(Aixtron)等一道,也是Autovision的参与者。Autovision开发的新型传感器如果取得成功,将替代砷化镓和砷化铟技术,后两种技术要用到稀有金属和有毒元素砷。

由空中客车公司主导的先锋项目GICE开发基于石墨烯的飞机热电冰凌保护系统。菲亚特-克莱斯勒汽车公司(现更名为斯特兰蒂斯(Stellantis))领导的先锋项目致力于研发一种不用金属的石墨烯汽车仪表盘,这种汽车仪表盘可以降低制造成本和燃料消耗。德国汽车电池公司瓦尔塔旗下的Varta Microinnovation主导的先锋项目研发锂离子汽车电池的石墨烯-硅负极,这种复合材料是石墨烯旗舰计划早期阶段开发出的,先锋项目的目标是提高这种复合材料的寿命,能完成1000次充放电循环。

石墨烯旗舰计划已经孵化了十几家公司。InBrain Neuroelectronics由加泰罗尼亚政府资助的两家旗舰计划合作研究机构组成,正在开发石墨烯基植入物,用于治疗帕金森氏症、癫痫和其他脑部疾病。今年3月,该公司宣布已从风险投资公司和西班牙政府融资1500万欧元。意大利孵化的BeDimensional公司为制造业和能源行业开发和生产石墨烯。

鞋和混凝土

许多石墨烯低技术含量应用,如复合材料,没有旗舰计划支持,也取得了进展。橡胶中混入石墨烯,能提高轮胎的抓地力和耐久性。英国公司Inov-8生产的石墨烯鞋使越野跑步者跑在光滑岩石上也不打滑,同时也提高了鞋的缓震性。

研究人员发现,混凝土掺入少量石墨烯薄片 (通常为0.1%),材料的结构强度可提高30%,从而减少结构钢用量。添加石墨烯还可以降低工作所需的混凝土数量,并减少水泥和混凝土的大量碳足迹。

曼彻斯特大学石墨烯工程创新中心(University of Manchester 's Graphene Engineering Innovation Centre)负责人詹姆斯·贝克(James Baker)表示,他们今年5月与一家建筑公司合作,用石墨烯混凝土Concretene浇筑了当地一座体育馆的地板。“从业40年的建筑商说,这是他们见过的最好的混凝土地板,”贝克说。

石墨烯旗舰项目对各种石墨烯应用和产品商业化的预期时间表。

尽管英国脱欧,旗舰计划中的英国成员会留在计划里,直到计划结束。2004年,安德烈·海姆(Andre Geim)和科斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostantin Novoselov)在曼彻斯特发现了制作石墨烯的方法,曼彻斯特大学也参与了几个先锋项目。该大学还主办了英国国家石墨烯研究所。多个欧盟国家都设立有类似的国家级石墨烯研究机构。

贝克说,石墨烯旗舰计划汇集了广泛的大学和产业界参与者,曼彻斯特大学可没这么大号召力。“石墨烯旗舰计划有10亿欧元的资金,已经达到了临界规模,其他研究活动,如毒理学、健康、安全和标准,都是非常适合集体开展的研究活动。”这是加快围绕石墨烯的整个话语权和供应链的关键部分,这对于石墨烯商业化至关重要。”

石墨烯理事会(Graphene Council)的执行董事特伦斯·巴坎(Terrance Barkan)称赞道,石墨烯旗舰计划在提高欧洲对这种材料的认识和为学术研发提供持续支持方面发挥了重要作用。石墨烯理事会是一个总部位于美国北卡罗来纳州的贸易协会,会员来自世界各地。“石墨烯旗舰计划的大手笔为欧盟和欧洲提供了围绕这些先进材料发展产业的统一战略。而在美国,各方自守自己的一亩三分地。”但是,尽管旗舰计划在支持创新方面表现良好,“商业转换并没有人们预期的那么大的成功。”巴坎说,有些企业参与旗舰计划是为骗补贴,所开发的产品未必适销对路。

总部位于美国的石墨烯理事会(Graphene Council)对石墨烯旗舰计划有保留态度

拐点

拐点

无论对其绩效的评价如何,预计石墨烯旗舰计划到期后 不会延长。“旗舰计划结束后,我们的许多活动将在地平线欧洲(Horizon Europe)计划的支持下继续进行,”基纳雷特说。地平线欧洲计划是欧盟另一规模庞大的研发计划,资金高达955亿欧元,将持续到2027年。“有些项目将达到成熟的商业水平,不再需要欧洲纳税人支持。”

巴坎说,美国应该通过放宽监管要求来推动需求,而不是复制旗舰计划,目前每一个石墨烯的新应用都需要获得环境保护署的批准。美国还可以通过对筑路材料制定低碳排放要求,来促进石墨烯混凝土等产品的增长。

对石墨烯需求的预测,意见各异,但毫无疑问,石墨烯市场将迅速扩大。尽管如此,石墨烯依然缺乏面向应用的标准和统一的质量指标,这极大妨碍石墨烯市场的发展。旗舰计划的一部分工作致力于制定此类标准,但标准要获得采用,需要获得多个国家和国际标准机构的批准,这一过程可能需要数年时间。“问题是,工业界没有多少时间可以等待,”巴坎说,石墨烯理事会也在努力加快标准的采用。

“石墨烯正在接近一个拐点,”曼彻斯特大学的贝克说,他预计“快车道和慢车道”的应用将出现增长。快车道包括橡胶、塑料和碳纤维等用途,这些用途不需要改变制造过程,也不需要政府批准。他解释说,由于需要监管部门的批准和认证程序,水净化膜和生物医学应用的进展将会在慢车道上发展。

本文经授权转载自微信公众号“物理XYZ”。

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