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“當(dāng)一個人說這事很難做，你就會有興趣，對吧？就像小時候，老師在講臺上給大家講題時，我們也不見聽得很專注，但當(dāng)老師說這道題很難不好做時，一下就來精神了，就是這種感覺。”
 

2004年，于慶凱在休斯頓大學(xué)攻讀博士時，研究方向還是碳納米管在襯底上定向生長的機(jī)制和方法。在這段時間里，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家從石墨塊體中剝離出了接近單層的石墨——石墨烯。這一外界看似平常的結(jié)果，卻在于慶凱的科研領(lǐng)域掀起了巨浪，也讓他轉(zhuǎn)向了石墨烯生長和應(yīng)用的科研方向，“當(dāng)時，可以感到，石墨烯的背后很可能有一個巨大的未知世界”。
 

什么是石墨烯？“石墨烯具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱能力！”
 

于慶凱舉了一個有趣的例子：幾百萬層的石墨烯堆在一起僅有一張紙這樣薄，而把它放在冰塊上時，它就像一把刀一樣，只需20秒，一厘米厚的冰塊就會被切成兩半。“石墨烯超強(qiáng)的導(dǎo)熱能力是其他材料所不具備的，現(xiàn)在很多5G手機(jī)都用它來散熱。”
 

“在石墨烯眾多的性質(zhì)中，導(dǎo)熱只是其中之一。”于慶凱意識到石墨烯的潛力巨大。于是在2018年，他辭去美國德克薩斯州立大學(xué)的終身教職，回國入職位于張江高新區(qū)長寧園的中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，從事石墨烯技術(shù)的研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化工作，成為科技創(chuàng)新領(lǐng)域中一名“國家隊”成員。
 

加入中科院上海微系統(tǒng)所后，于慶凱帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)一步推動高質(zhì)量石墨烯的生長及產(chǎn)業(yè)化。2020年，上海微系統(tǒng)所在寶山發(fā)布8英寸石墨烯晶圓小批量產(chǎn)，并將該材料銷售到國內(nèi)和國際市場。始終關(guān)注前沿新材料發(fā)展動態(tài)趨勢的人，或許甚至還會記得當(dāng)時媒體照片中那枚“像鏡子一樣的亮晶晶的圓盤”，以及8英寸石墨烯晶圓小批量產(chǎn)在滬發(fā)布后所引發(fā)的不小的轟動。
 

“石墨烯之所以被關(guān)注是有原因的，它的‘熱’不是無根之木、無源之水。作為一種新材料，石墨烯很多美好的特性在基礎(chǔ)科學(xué)上已經(jīng)可以清晰地說明了。但石墨烯這些特別好的性質(zhì)大多都是在理想環(huán)境下做出來的，比如，在實驗室里、真空條件下、非常潔凈的環(huán)境里。所以，石墨烯的難點(diǎn)在于怎樣讓它的這些性質(zhì)在不被損害的前提下被使用，并實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，這也是石墨烯真正成為‘新材料之王’的關(guān)鍵。”石墨烯的“熱”與“難”形成了鮮明的反差，于慶凱認(rèn)為“難”不是自己退卻的理由，而恰恰是阻擋競爭者的門檻，他選擇迎難而上。
 

正是因為有著這樣一個清晰的判斷，于慶凱帶領(lǐng)團(tuán)隊聚焦于此進(jìn)行深耕，并不斷尋求突破：采用藍(lán)寶石作為襯底成功制備出具有更強(qiáng)催化能力的銅鎳（111）單晶薄膜，成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃降低到750℃，用此技術(shù)制備出的石墨烯單晶薄膜無褶皺，無顆粒污染，電學(xué)性能可以與高溫條件下得到的石墨烯相媲美。這一突破也引起了多方面的關(guān)注，中科院、中電集團(tuán)下屬單位利用于慶凱團(tuán)隊的石墨烯晶圓開展攻關(guān)，突破了石墨烯太赫茲探測器件、高性能射頻晶體管等電子器件的核心工藝。
 

新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是高科技競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域。這些前沿研究和成果轉(zhuǎn)化，不僅有利于解決碳基電子器件實用化面臨的技術(shù)障礙，更在加速推進(jìn)上海乃至我國碳基集成電路技術(shù)的創(chuàng)新跨越發(fā)展。在傳統(tǒng)硅基器件方面，我國和國外的代差造成多個“卡脖子”技術(shù)問題，但在碳基器件和集成電路方面，于慶凱領(lǐng)銜研發(fā)的石墨烯晶圓已經(jīng)逐步走在世界前列，對未來我國碳基器件和集成電路發(fā)展將發(fā)揮重要作用。
 

于慶凱說：“最為關(guān)鍵的驅(qū)動力是，我想把頭腦中的技術(shù)和創(chuàng)造力，轉(zhuǎn)變成利國利民的成果和產(chǎn)品。在美國，創(chuàng)新資本多青睞于生物醫(yī)藥、人工智能等領(lǐng)域，制造業(yè)和新材料在很大程度上被冷落，而在中國，創(chuàng)新的資本在各個前沿方向的分布較為均衡，新材料和化工領(lǐng)域也是發(fā)展熱點(diǎn)。”
 

在不斷推進(jìn)石墨烯制備基礎(chǔ)研究的同時，2021年于慶凱成立了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模制備石墨烯粉體的公司——上海氫田新材料科技有限公司。過去幾年，于慶凱主持的天然氣裂解同步制備藍(lán)綠氫和石墨烯取得重要進(jìn)展。其團(tuán)隊發(fā)展了獨(dú)有的液態(tài)金屬催化裂解天然氣同步制備氫氣和石墨烯的技術(shù)路線，通過液態(tài)金屬的超強(qiáng)催化性，可以將天然氣中的氫和碳元素分別以氫氣和石墨烯形式產(chǎn)出。該技術(shù)有多重優(yōu)勢，比如，天然氣的高裂解效率、高純度氫氣、高質(zhì)量低成本的石墨烯、無溫室氣體排放等。于慶凱也敏銳地發(fā)現(xiàn)，“除了石墨烯之外，在無溫室氣體排放的條件下產(chǎn)出高純度氫氣是該技術(shù)路線的另一個閃光點(diǎn)”。
 

如今，隨著全球變暖成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要威脅，碳中和目標(biāo)已經(jīng)成為世界各國的共識，并將在今后相當(dāng)長的一段時間里成為全球政治與經(jīng)濟(jì)角力的重要戰(zhàn)場。在碳中和的目標(biāo)下，氫氣作為重要的化工原料和新興的清潔能源，其價值日益彰顯。而未來氫氣能否真正成為綠色能源，將很大程度上取決于氫氣的綠色制備技術(shù)。正是在此背景下，于慶凱團(tuán)隊發(fā)展的液態(tài)金屬催化裂解天然氣同步制備氫氣和石墨烯的技術(shù)路線，呈現(xiàn)出顯著的產(chǎn)業(yè)價值和未來潛力。一些行業(yè)分析人士表示，預(yù)計該技術(shù)在未來幾年很可能將對石墨烯領(lǐng)域、碳材料領(lǐng)域，以及綠色制氫行業(yè)產(chǎn)生重要影響。
 

作為一名深耕新材料、新能源的海歸博士，于慶凱很看重國內(nèi)良好的科研平臺和創(chuàng)新環(huán)境。中科院上海微系統(tǒng)所成立于1928年，是從事基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的多學(xué)科綜合性研究所。90多年來，上海微系統(tǒng)所始終圍繞學(xué)科前沿和國家戰(zhàn)略需求，發(fā)揮對科學(xué)研究、高技術(shù)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的骨干引領(lǐng)作用，近些年，上海微系統(tǒng)所更在石墨烯沖刺“王者”的道路上扮演著重要角色。而上海也提供了肥沃的創(chuàng)新土壤，“上海不但是中國乃至國際優(yōu)秀人才的匯聚之地，也是中國的金融中心和創(chuàng)新中心。在這里，我們可以比較容易地解決人才需求，并且受益于上海優(yōu)異的金融投資規(guī)模推動創(chuàng)新。”
 

“石墨烯被譽(yù)為21世紀(jì)的‘新材料之王’，但我認(rèn)為，如今的石墨烯更像是一位‘王儲’，不斷努力著要戴上王冠，它還需要大家的耐心。我們已經(jīng)看到它美好的性質(zhì)，也在不斷嘗試推進(jìn)和迎接它真正出現(xiàn)‘殺手級’應(yīng)用的那一天?？茖W(xué)發(fā)展需要一個漫長的積累的過程，然后可能會在某一個瞬間爆發(fā)，這既是科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，也正是科學(xué)的魅力。”