材料新貴石墨烯

白龍魚服

2013年8月，劍橋大學(xué)的安德烈亞·費(fèi)拉里博士發(fā)布了一項(xiàng)最新研究成果。他拿著一塊透明的塑料，將其彎曲，然后像彈鋼琴一樣輕按它，這塊塑料就發(fā)出了音樂聲。原來這塊塑料上有一個隱形鍵盤，這個鍵盤是用石墨烯電路打印而成的，其超強(qiáng)的柔韌性將可能實(shí)現(xiàn)把電話和電子報(bào)紙折疊放入口袋的夢想。

石墨烯，這種硬度為鋼的200倍、厚度僅為一個原子直徑的神奇物質(zhì)引發(fā)了全球科學(xué)家們的“淘金熱”。有業(yè)內(nèi)人士如此評價：“如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，石墨烯則開創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元，將給世界帶來巨大變化。”

什么是石墨烯？

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，也是目前世界上最薄、最堅(jiān)硬、最強(qiáng)韌的納米材料。它有多?。渴┲挥?.34納米厚，粗略估計(jì)一下，一根頭發(fā)絲的直徑，大概等于十萬層石墨烯疊加起來的厚度，所以用肉眼是看不見它的。它有多硬？如果物理學(xué)家能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛頓的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。它有多強(qiáng)韌？如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，吊床本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須，卻可以承受一只貓的重量。

它也是已知的最輕的導(dǎo)體之一，幾乎完全透明，只吸收 2.3%的光，就可以讓電子觸摸屏的亮度達(dá)到最佳。常溫下，石墨烯電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。

比起易碎的硅，石墨烯易彎曲且可拉伸，因?yàn)槭┑慕Y(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，其內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)也使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300 W/m·K。過去，人們認(rèn)為鉆石的熱導(dǎo)率最高，但是石墨烯的熱導(dǎo)率是它的2倍。而且石墨烯是目前世界上電阻率最小的材料，導(dǎo)電性是銅的100萬倍，它甚至違背了“熱脹冷縮”的原理，會隨著溫度的升高而縮小。

怎樣得到石墨烯？

鉛筆筆芯的主要成分是石墨。我們能用鉛筆寫出字來，就是因?yàn)槭珜娱g作用力弱，容易剝離下單層石墨片。所以，我們在作業(yè)本上每劃一筆，就是剝離了一層或者幾層石墨片。這樣的剝離存在一個很小的極限，那就是單層的剝離。也就是說，形成厚度只有一個碳原子的單層石墨，這種單層石墨就是石墨烯。

石墨烯一直被認(rèn)為只是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定地存在。直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地用“微機(jī)械剝離法”在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，觀測到其形貌，證實(shí)它可以單獨(dú)存在。微機(jī)械剝離的方法其實(shí)極為簡單，把石墨薄片粘在膠帶上，把有黏性的一面對折，再把膠帶撕開，這樣石墨薄片就被一分為二。 通過不斷地重復(fù)這個過程，片狀石墨越來越薄，最終就可以得到一定數(shù)量的石墨烯。兩人憑借此“二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯的應(yīng)用

自從安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功分離出石墨烯之后，科學(xué)界掀起了一股石墨烯應(yīng)用研究的狂潮。

2011年4月，IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1550億個循環(huán)操作，比之前的晶體管快50%。2011年5月，美國華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯研制出了一款調(diào)制器，他表示，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號傳輸能力有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘可以下載或傳輸十部高清電影。2012年3月，美國加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)、生物化學(xué)教授理查德·卡勒和他的學(xué)生馬希爾·艾卡迪利用石墨烯為原材料，發(fā)明了一種名為微型石墨烯超級電容器的裝置。這種裝置的充放電速度比現(xiàn)在的鋰電池快100倍到1000倍，幾分鐘就能完成智能手機(jī)甚至是電動車的充電。

根據(jù)石墨烯強(qiáng)度超大、超薄的特性，它可廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域，如超薄超輕型飛機(jī)材料、像羽毛一樣輕的飛船外殼、超輕的防彈衣等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，它有可能會成為硅的替代品，在微電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，如用石墨烯能制作出幾乎不發(fā)熱的芯片，用來生產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)。而石墨稀更快的電子遷移率，可以使未來的計(jì)算機(jī)獲得更快的速度。

有了石墨烯，未來半導(dǎo)體的材料可能不再是硅，由石墨烯做成的晶體管會讓超高速計(jì)算機(jī)不再是理論設(shè)想；塑料可能不再是絕緣體，在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；汽車、飛機(jī)和宇宙飛船的外殼可能就是薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌的石墨烯材料。這種二維的碳會給世界帶來巨大改變，但改變到底有多猛烈、多深遠(yuǎn)，還沒人知道。