歐盟石墨烯旗艦計劃未結題就已見回報_風聞

撰文 | 瞿立建

歐盟石墨烯旗艦計劃LOGO

2009年，歐盟內閣機構歐洲委員會（European Commission）認為，歐盟為應對大的科技挑戰，應施行長期的、跨學科的研發計劃。

歐盟陸續啓動了三個這樣的大項目，稱為旗艦計劃。2013年啓動了兩個旗艦計劃，分別是石墨烯旗艦和人腦旗艦。2018年，開始啓動第三個旗艦計劃——量子科技。三個旗艦計劃都是為期10年，撥款10億歐元（約76億元人民幣）。

石墨烯旗艦計劃的目標是創造這種二維材料的應用和市場，使歐洲屹立於科技前沿。這個大項目有多大影響力，耗費的鉅額公共支出是不是值，付出的聰明才智是不是有相應的收穫，再過幾年，可見分曉。

“在過去的七年裏，石墨烯旗艦計劃成功地使石墨烯走出了實驗室，在歐洲創造出了一個富有成效的工業生態系統，在這個系統裏，石墨烯和層狀材料的應用生機勃勃，”石墨烯旗艦的2020年年度報告説：“今天，這個工業生態系統有100多家公司，它們與石墨烯旗艦計劃的學術夥伴在汽車、航空工業、電子、能源、複合材料和生物醫藥廣泛等領域展開合作。”

雖然距離結題還有兩年半的時間，石墨烯旗艦聲稱已經孵化出大約90種含墨烯的產品，這些產品應用於各種領域，比如靈敏度是硅基傳感器10倍的霍爾效應傳感器，以及高音和低音增強的耳機。其他利基產品包括改善牽引力的自行車輪胎，具有卓越靈活性和耐久性的網球拍，能化解強衝擊的摩托車頭盔，以及高性能空調。半導體行業採用的石墨烯化學氣相沉積系統也源於石墨烯旗艦計劃。

沉積在硅片上的石墨烯層，非營利性機構比利時微電子研究中心（IMEC）開發，用於微電子和計算。

石墨烯旗艦計劃領導者、瑞典查爾姆斯理工大學的凝聚態物理學家亞里·基納雷特（Jari Kinaret）説，相關學術研究產出，以每歐元經費所產出的專利和論文發表數量來衡量，“我們做得非常好”。

但是，類似規模的特定技術合作（如果有的話）世上罕見，所以對其績效的評估在很大程度上是主觀的。基納雷特説：“誰能提出一個可量化的、有意義的關鍵績效指標，我請他吃大餐。我等這個人已經很多年了。”

旗艦技術創新部負責人卡利·耶爾特（Kari Hjelt）表示，整個計劃完成之時，將接受經濟影響同行評議評估。但他警告説，評估指標是做不到完整無缺的，因為從研究到商業化通常需要15年或更長時間。他指出，到目前為止，有一點是明確的，石墨烯旗艦計劃助長了歐洲工業界的冒險精神，更敢於將新成果商業化。

旗艦計劃與美國的產學研合作模式很不同。在美國，通常是產業界出錢，資助學界做研究出成果，而石墨烯旗艦計劃給商業合作伙伴報銷直接研發支出。

目前，石墨烯旗艦計劃大約有170家參與單位，大學和產業界約各佔一半。計劃開始時，75%的成員來自學術界。基納雷特説：“坦率地説，一些產業界參與者可能更多的是打醬油，而不是做研究。”他表示，石墨烯旗艦計劃啓動時的路線圖就已明確，隨着項目的進展，逐漸提高產業界參與度。

石墨烯旗艦計劃到2023年結題前，還有1.5億歐元的經費。其中45%將用於應用研究，15%將用於基礎研究。研究在四個廣泛的主題領域進行：面向現實目標的科學和材料、健康、醫藥和傳感器、電子與光子元件集成、能源、複合材料和量產。

石墨烯旗艦計劃30%的預算用於先鋒項目，這類項目由產業引領，多機構參與，旨在將特定石墨烯產品商業化。剩餘的約10%的預算用於管理支持服務，包括標準開發、產品性能測試和項目治理。

科技推動

目前的11個先鋒項目是去年啓動的，預計將於2023年9月結題。基納雷特説，按照項目設計，這些項目只能進展到原型階段。需要歐盟委員會的特別許可才能繼續推進。產品的完全商業化不在旗艦項目計劃之內。

意大利醫療儀器公司Medica SpA負責Graphil先鋒項目，開發飲用水石墨烯過濾器。

意大利醫療儀器公司Medica SpA的過濾器和醫療應用實驗室主管萊蒂齊亞·博基（Letizia Bocchi）領導Graphil先鋒項目（Graphil Spearhead Project），該項目正在開發接到飲用水水龍頭上的過濾器。這種過濾器中，將氧化石墨烯嵌入用聚合物紡成的中空纖維中，可吸附有機污染物，如抗生素和全氟化合物，沒有石墨烯，這些污染物就會逃脱纖維機械過濾結構。另外，Graphil項目的方法不會產生廢水，這是反滲透淨水器所做不到的。

石墨烯粉末，意大利能源和製造業公司BeDimensional生產，這家公司是石墨烯旗艦計劃孵化的公司。

法國公司Polymem和英國公司Icon LifeSaver也是Graphil先鋒項目參與者，學界的參與者有意大利國家研究理事會、瑞典查爾姆斯理工大學和英國曼徹斯特大學。

博基指出，公司單打獨鬥搞攻關，是負擔不起所需的研發費用的，因此，政府的支持至關重要。“我們正在建設一家專門生產這種纖維的工廠，這是一筆巨大的投資。”她補充稱，旗艦計劃在歐盟的高知名度，吸引其他公司主動上門聯繫，表達合作興趣。

斷路器先鋒項目正在利用石墨烯的自潤滑特性開發性能更優的斷路器，以為電力供應商和消費者——如風電場、醫院和數據中心等——提供保護。斷路器中為機械功能保駕護航的傳統物質是潤滑油，已經用了百年，不過，潤滑油有個嚴重的缺點，它隨着時間的推移會分解，必須定期更換。

瑞典ABB公司的首席科學家安娜·安德森 (Anna Andersson) 是斷路器項目的領導者。她説，研究人員正在評估將石墨烯塗層電鍍或燒結到金屬基底之上這個技術的前景。這個項目的其他產業界成員還有瑞典的材料生產商Graphmatech和意大利的材料公司Nanesa。學界成員有查爾姆斯理工大學、曼徹斯特大學、希臘研究和技術基金會Hellas以及羅馬第二大學。

德國愛思強公司的機器在進行石墨烯化學氣相沉積，應用於化合物半導體。該技術是由這家德國公司通過“石墨烯旗艦計劃”開發的。

Autovision是另一先鋒項目，目標是研發自動駕駛汽車用傳感器，能夠在能見度很低的情況下探測物體和道路彎折狀況。該項目的主導公司是Qurv科技公司，這家公司是從西班牙光子科學研究所（ICFO）孵化出來的。Qurv的石墨烯量子點圖像傳感器技術是廣譜計算機視覺技術中的代表性技術，且與CMOS製造工藝兼容。

全球最大的汽車安全設備供應商、瑞典-美國合資公司奧托立夫（Autoliv）旗下的Veoneer，與比利時微電子研究中心（IMEC）和德國科技公司愛思強（Aixtron）等一道，也是Autovision的參與者。Autovision開發的新型傳感器如果取得成功，將替代砷化鎵和砷化銦技術，後兩種技術要用到稀有金屬和有毒元素砷。

由空中客車公司主導的先鋒項目GICE開發基於石墨烯的飛機熱電冰凌保護系統。菲亞特-克萊斯勒汽車公司（現更名為斯特蘭蒂斯（Stellantis））領導的先鋒項目致力於研發一種不用金屬的石墨烯汽車儀表盤，這種汽車儀表盤可以降低製造成本和燃料消耗。德國汽車電池公司瓦爾塔旗下的Varta Microinnovation主導的先鋒項目研發鋰離子汽車電池的石墨烯-硅負極，這種複合材料是石墨烯旗艦計劃早期階段開發出的，先鋒項目的目標是提高這種複合材料的壽命，能完成1000次充放電循環。

石墨烯旗艦計劃已經孵化了十幾家公司。InBrain Neuroelectronics由加泰羅尼亞政府資助的兩家旗艦計劃合作研究機構組成，正在開發石墨烯基植入物，用於治療帕金森氏症、癲癇和其他腦部疾病。今年3月，該公司宣佈已從風險投資公司和西班牙政府融資1500萬歐元。意大利孵化的BeDimensional公司為製造業和能源行業開發和生產石墨烯。

鞋和混凝土

許多石墨烯低技術含量應用，如複合材料，沒有旗艦計劃支持，也取得了進展。橡膠中混入石墨烯，能提高輪胎的抓地力和耐久性。英國公司Inov-8生產的石墨烯鞋使越野跑步者跑在光滑岩石上也不打滑，同時也提高了鞋的緩震性。

研究人員發現，混凝土摻入少量石墨烯薄片 (通常為0.1%)，材料的結構強度可提高30%，從而減少結構鋼用量。添加石墨烯還可以降低工作所需的混凝土數量，並減少水泥和混凝土的大量碳足跡。

曼徹斯特大學石墨烯工程創新中心（University of Manchester ’s Graphene Engineering Innovation Centre）負責人詹姆斯·貝克（James Baker）表示，他們今年5月與一家建築公司合作，用石墨烯混凝土Concretene澆築了當地一座體育館的地板。“從業40年的建築商説，這是他們見過的最好的混凝土地板，”貝克説。

石墨烯旗艦項目對各種石墨烯應用和產品商業化的預期時間表。

儘管英國脱歐，旗艦計劃中的英國成員會留在計劃裏，直到計劃結束。2004年，安德烈·海姆（Andre Geim）和科斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostantin Novoselov）在曼徹斯特發現了製作石墨烯的方法，曼徹斯特大學也參與了幾個先鋒項目。該大學還主辦了英國國家石墨烯研究所。多個歐盟國家都設立有類似的國家級石墨烯研究機構。

貝克説，石墨烯旗艦計劃彙集了廣泛的大學和產業界參與者，曼徹斯特大學可沒這麼大號召力。“石墨烯旗艦計劃有10億歐元的資金，已經達到了臨界規模，其他研究活動，如毒理學、健康、安全和標準，都是非常適合集體開展的研究活動。”這是加快圍繞石墨烯的整個話語權和供應鏈的關鍵部分，這對於石墨烯商業化至關重要。”

石墨烯理事會（Graphene Council）的執行董事特倫斯·巴坎（Terrance Barkan）稱讚道，石墨烯旗艦計劃在提高歐洲對這種材料的認識和為學術研發提供持續支持方面發揮了重要作用。石墨烯理事會是一個總部位於美國北卡羅來納州的貿易協會，會員來自世界各地。“石墨烯旗艦計劃的大手筆為歐盟和歐洲提供了圍繞這些先進材料發展產業的統一戰略。而在美國，各方自守自己的一畝三分地。”但是，儘管旗艦計劃在支持創新方面表現良好，“商業轉換並沒有人們預期的那麼大的成功。”巴坎説，有些企業參與旗艦計劃是為騙補貼，所開發的產品未必適銷對路。

總部位於美國的石墨烯理事會(Graphene Council)對石墨烯旗艦計劃有保留態度

拐點

拐點

無論對其績效的評價如何，預計石墨烯旗艦計劃到期後 不會延長。“旗艦計劃結束後，我們的許多活動將在地平線歐洲（Horizon Europe）計劃的支持下繼續進行，”基納雷特説。地平線歐洲計劃是歐盟另一規模龐大的研發計劃，資金高達955億歐元，將持續到2027年。“有些項目將達到成熟的商業水平，不再需要歐洲納税人支持。”

巴坎説，美國應該通過放寬監管要求來推動需求，而不是複製旗艦計劃，目前每一個石墨烯的新應用都需要獲得環境保護署的批准。美國還可以通過對築路材料制定低碳排放要求，來促進石墨烯混凝土等產品的增長。

對石墨烯需求的預測，意見各異，但毫無疑問，石墨烯市場將迅速擴大。儘管如此，石墨烯依然缺乏面向應用的標準和統一的質量指標，這極大妨礙石墨烯市場的發展。旗艦計劃的一部分工作致力於制定此類標準，但標準要獲得採用，需要獲得多個國家和國際標準機構的批准，這一過程可能需要數年時間。“問題是，工業界沒有多少時間可以等待，”巴坎説，石墨烯理事會也在努力加快標準的採用。

“石墨烯正在接近一個拐點，”曼徹斯特大學的貝克説，他預計“快車道和慢車道”的應用將出現增長。快車道包括橡膠、塑料和碳纖維等用途，這些用途不需要改變製造過程，也不需要政府批准。他解釋説，由於需要監管部門的批准和認證程序，水淨化膜和生物醫學應用的進展將會在慢車道上發展。

本文經授權轉載自微信公眾號“物理XYZ”。