2020年10月26日，欧盟未来和新兴技术旗舰计划欧洲研究区域网络（FLAG-ERA）公布了石墨烯旗舰计划和人脑计划协同研究项目的联合跨国项目征集公告2021[1]。此次跨国联合项目征集分为基础研究、应用研究和创新两个部分。基础研究部分涵盖了诸如细菌对石墨烯的降解、二维非晶材料的制备和器件集成等研究主题，应用研究和创新部分包括石墨烯和层状材料的应用，如抗病毒保护、先进金属离子超级电容器、神经接口和6G通信等。人脑计划主要研究方向为：研究与脑功能相关的基因型-表型关系、精神疾病、促进对神经系统造成影响的罕见疾病的诊断和治疗等。

表1  人脑计划和石墨烯旗舰计划的研究主题

注：GRMs指石墨烯及其相关材料（graphene or related materials）

一、石墨烯旗舰计划的基础研究领域

1、层状磁性材料及其异质结构

对层状磁性材料及其异质结构的合成与表征，可以评估其未来的技术潜力。需要研究的方向为：制备新型的层状磁性材料；了解磁性相互作用（交换、各向异性、Dzyaloshinskii Moriya相互作用等）的本质及其对不同磁状态的确定方式；控制磁相互作用和状态；空间相关的磁结构（斯格明子、磁畴壁等）；探测层状材料磁性的新技术，为光电器件实现新功能提供原理上的证明。

2、二维非晶材料的制备与器件集成

该研究的目的是在各种衬底上制备二维非晶态碳或非晶态氮化硼化合物，并评估其在器件应用中的性能。该研究的目标是材料的制备和集成及具体应用，例如渗透和扩散壁垒、封装、柔性电子、光子或磁记录设备和自旋电子学，最终实现器件原型的制备，验证非晶材料与金属和电介质的集成（采用原子层沉积方法），实现当集成在电容器中时磁滞会显著降低，或实现该材料可用作有效低介电界面。

3、GRMs超低功耗自旋轨道存储器的可扩展制备与器件集成

该研究方向的目标是设计、建模、合成、表征和操作由新型层状铁磁体和大型自旋轨道材料制成的低能耗自旋轨道转矩（SOT）存储器。高质量多层层状材料异质结构的生长和器件集成应采用最先进的技术，如分子束外延（MBE），以实现完全集成SOT器件的原位制造。在实际模型中，应结合密度泛函理论模拟和自旋转矩效率的量子计算，对相应堆中的SOT进行实验表征。

4、细菌对GRMs的降解

GRMs生态毒理学的基本研究内容是评估GRMs释放到水或土壤中时的可能降解方式。细菌群落在元素的生物地球化学循环中起着重要作用。由于细胞外的降解过程，细菌群落能够通过代谢的方式将分散在环境中的有机物作为还原碳的来源。而且，微生物群落存在于受污染的地方，并有能力代谢难降解的外来生物。细菌的多样性、多功能性和可塑性使其成为研究GRMs及其复合物降解的最佳候选生物。最好的候选菌是石墨矿田细菌或具有强烈细胞外氧化活性的细菌。

5、用于神经形态计算的GRMs器件与电路

神经形态计算是一个新兴的方向，在未来信息与通信技术（ICT）领域的应用潜力很大。该研究将聚焦基于GRMs的神经形态计算器件和电路的设计和制造，主要包括对神经形态计算新器件的研究，例如突触权重和用于（模拟）计算的集成电路。此外，研究活动应包括理论和实验两个维度。

6、利用转角GRMs实现红外和太赫兹发射与探测

转角石墨烯（TBG）由分层堆积在一起的GRMs组成，其晶体轴的相对旋转由转角θ量化。转角为1°的转角石墨烯会呈现独特的带状结构，在红外和太赫兹频率范围内出现强烈的光学跃迁。这使转角石墨烯在光学探测和发射方面具有很高的应用前景。该研究的目标是设计和研究基于GRMs、转角多层GRMs组合或GRMs超晶格的红外和太赫兹器件。与单层GRMs相比，该研究的项目应示范具有可调谐发光、增强光探测等功能的器件。

7、用于先进多价金属离子电池（MMIBs）的功能化GRMs

多价金属离子（如Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺）化学为开发能量密度更高、安全性更好、成本更低的下一代储能技术提供了途径，因为相应的金属可以用作多电子氧化还原阳极。目前，MMIBs面临的主要挑战是阴极材料的有限可用性。该研究的主要内容是发现高性能的阴极材料以适应多价金属离子的需要，并与多价金属阳极一起用于可扩展的储能装置。该研究的目标是研发先进的功能化GRMs作为高能量密度阴极，以改善MMIBs的现有性能。

8、GRMs化学传感

通过在整个相关分析物浓度范围内提供可测量的信号输出，GRMs有望用于制造在特定介质中对目标化学分析物具有高灵敏度的传感器。然而，已知的分子物质数量巨大，为了获得高选择性，GRMs结构需要用所选分析物的高选择性（超分子）受体进行化学修饰。为了在商业产品中实现功能化GRMs的集成，需要在低于200℃的温度下进行薄膜和涂层处理的技术，并与便携式设备的柔性聚合物基板兼容。

9、MXene泡沫用于电容去离子法水淡化过程

MXene是一类具有二维层状结构的金属碳/氮化物，在水介质中具有较高的导电性、机械强度和体积比电容。这些特性使MXene成为脱盐用电容去离子电极的理想选择。然而，对MXene进行再堆叠会降低表面积和性能。开发MXene泡沫可以解决电容去离子电极中的再堆积问题，从而可以将新型电容去离子电极效能提高80%。

10、GRMs悬浮液和多相流的流变模型

液体溶液中的GRMs在多个领域发挥着关键作用，包括使用液体剥落、滴注、喷墨打印等方法和技术的大规模制造。从工业角度看，在流体动力学模拟工程软件中嵌入模型是必要的，这有助于制造、设备和复合材料的设计及其性能水平的提升。该研究的目标是理论和实验的协同发展，以提高对GRMs多相流流变学的认识。

二、石墨烯旗舰计划的应用和创新研究领域

1、GRMs泡沫和涂层的抗病毒保护

目前，新型冠状病毒在全世界范围内流行，迫切需要提出一种能够在外部环境和人体之间起到高效屏障作用的个人防护装备技术。需要开发新型的个人防护装备来防止感染新型冠状病毒以及更广泛的现有和未来可能出现的各种病毒。GRMs是制造功能性个人防护用品（包括一次性或可洗口罩和围裙）的有前途的候选产品。为了获得高性能的防病毒个人防护装备，需要对GRMs结构进行化学修饰，以促进病毒粘附并在吸附后破坏其生物活性。为了将功能化的GRMs集成到一次性或可洗和可重复使用的商业产品中，应设计能够以低成本将GRMs加工成泡沫和涂层的技术。

2、用于生物电子药物的GRMs神经接口

神经技术在检测和调节神经系统中的电信号模式方面的迅速发展，导致了生物电子药物新疗法的产生。生物电子药物的目的是开发微型植入式设备，破译和调节神经信号模式，靶向特定器官的特定功能，具有好的治疗效果。要实现这一愿景，需要在能够长期记录和刺激神经系统的完全植入式系统方面取得重大技术进步。GRMs在记录和刺激神经回路方面已经显示出作为神经接口构建模块的巨大潜力。为了推动这项技术的发展，GRMs神经接口必须集成其他的构建模块，同时在相关的临床前模型中示范长期的安全性和缓慢治疗功能。构建模块包括数据传输和分析系统、闭环操作、与商业电子的集成等。该研究的目标是开发基于GRMs的技术，用于慢性病的神经调节和康复。这些都必须与临床组织和行业合作伙伴一起设计和评估，为临床应用提供切实可行的技术途径。

3、基于GRMs的可见光和红外光谱仪

结合可见光和红外光的光谱仪可以实现食品检验、回收利用、水监测等诸多应用。目前光谱仪市场的增长受到低成本宽带探测器的功能和可用性的限制。更宽的光谱操作范围和光谱仪的小型化将极大地扩大市场的规模。该研究的目标是开发、测试和评估宽带、紧凑和高分辨率光谱仪（约2纳米），该光谱仪采用基于GRMs的光电探测器，同时覆盖可见光和红外范围（至少400~2000纳米）。该技术应至少在一个应用领域进行验证，并与最终用户一起评估其能力。低成本制造是关键因素，也必须证明能够实现，同时，需要提出相应的技术标准。

4、用于6G无线通信的GRMs超宽带太赫兹收发器技术

未来的6G无线网络将处理载波频率≥1太赫兹的数个100 吉比特/秒的信号。此类网络将由覆盖范围有限的小型区域组成，通过无缝连接光纤基础设施等方式与宽带光纤回传相连。低成本、节能、小型化以及从无线太赫兹到光层的直接转换是此类收发器的关键性能特征。该研究的目标是实现基于GRMs的收发器，以实现从太赫兹到光信号的无缝高效转换，以及将光信号转换为太赫兹的超快检测机制。

5、调节层状材料异质结构中热载流子寿命以提高光响应率

GRMs光电探测器在高带宽和低成本制备方面具有潜力。其响应度与载流子寿命成正比。该研究的目标是调节层状材料异质结构中的载流子寿命，以最大限度地提高其光响应能力。

6、用于先进金属离子超级电容器的GRMs

金属离子电容器是一种能够覆盖超级电容器和电池之间间隙的储能装置。与超级电容器相比，金属离子电容器具有更高的能量密度、更高的功率和更长的使用周期。然而，它们的能量密度仍然低于锂离子电池。因此，应制定新的策略来提高能量密度。该研究的目标是研发GRMs作为高能量密度的负电极，以改善金属离子电容器的性能。

7、用于氧化还原流电池的GRMs电极

制备可靠、经济、高效的钒电极是钒液流电池（VRFBs）广泛推广应用的关键。该研究的目标是通过将溶液沉积技术与快速（以分钟为时间尺度）气体等离子体处理技术相结合，开发基于GRMs的分层碳VRFB电极。GRMs的高导电性、具有丰富催化位点的高表面、可调节的孔隙率和亲水性等特性，以及可扩展制备和加工的应用，将使大面积（≥25平方厘米）GRMs基电极用于VRFBs成为可能，其能效和速率将优于现有非GRMs基电极的技术水平。

8、用于自充电和自供电电子产品的GRMs组件

大数据分析所需的设备越来越多，为其提供动力的低排放解决方案是，通过开发高效的能源收获机使这些设别可持续地自供电和自充电。摩擦电纳米发电机（TENGs）是一种能够实现机械能高功率转换效率的新概念。GRMs具有可调的化学和电学性质，是提高绝缘材料摩擦带电电荷密度的理想候选材料。该研究旨在将GRMs与TENGs制造相结合，为未来的电子产品提供低成本、可持续的能源解决方案。

三、人脑项目的研究和创新领域

1、研究与脑功能相关的基因型-表型关系

该研究旨在建立遗传学和表型之间关系，对于理解已识别的突变与脑功能障碍（或有助于脑功能恢复的功能补偿）之间的因果关系至关重要。研究涉及动物模型和人类群体中的解剖学（微观、中观、宏观、分子和细胞类型图），以及功能表型（行为、功能连接体等）。鼓励研究个体间变异性的非遗传决定因素。

2、加速神经系统罕见疾病的诊断和治疗方法

该研究的目的是利用整体性疗法和计算工具开发出可以促进影响神经系统的罕见疾病的诊断和治疗方法。建议利用可用的医学或临床前数据集进行分析、建模或模拟研究。

3、应对精神疾病

本研究主要涉及精神疾病诊断，病人分类或相关治疗策略。主要研究那些可以通过结合不同类型的临床数据，即神经影像学、分子数据、临床记录和/或问卷调查以及涵盖这些疾病的社会方面的数据，包括主观幸福感。                                                                                                                                                                                                               （张超星）