石墨烯：芯片里的“黑洞”

徐懷

科學(xué)家們對石墨烯這一物質(zhì)的出現(xiàn)感到極其興奮，認為它具有巨大的工業(yè)潛力，甚至預(yù)言它會顛覆由硅主導(dǎo)的芯片時代，在未來掀起一場技術(shù)革命。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

那么，你是不是很想知道石墨烯究竟是何方神圣呢？

未來神奇材料

石墨烯是從石墨材料中剝離出來的、由碳原子組成的二維晶體。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層或者僅僅一層石墨烯。

石墨烯大概有一層原子那么厚，雖然是最薄的納米材料，但一點都不影響它的強韌性。由于碳原子之間化學(xué)鍵的特有性質(zhì)，石墨烯甚至比鋼還強韌、比鉆石還堅硬。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克的吊床便可以承受一千克物體。

同時，它還是地球上導(dǎo)電性最強、幾乎透明的材料之一，這也是石墨烯最有潛力的應(yīng)用——取代硅，提高電池效率，改善電腦、手機觸摸屏的效率。據(jù)說用石墨烯代替硅，計算機處理器的運行速度將快上數(shù)百倍。

種種優(yōu)點使得石墨烯深受科學(xué)家們的歡迎，成為工業(yè)的新寵兒。但是不得不說，想要將它生產(chǎn)出來卻不是一件容易的事。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯，目前很難剝離出單層結(jié)構(gòu)。若要產(chǎn)出沒有雜質(zhì)的純凈石墨烯，更是難上加難了。因此，石墨烯的發(fā)展道路可謂是“前途光明，道路曲折”。

石墨烯的有趣新特性

我們需要更深入了解這一神奇材料，才能克服它的生產(chǎn)問題?？茖W(xué)家們觀察到，在電場作用下，和一般金屬的帶電粒子相比，純凈石墨烯中帶電粒子的行為有點“異?！?，它們會以相當(dāng)快的速度互相撞擊。與之相反的是，普通金屬內(nèi)部帶電粒子之間幾乎沒有任何交流和互動。為什么石墨烯的帶電粒子會表現(xiàn)得如此瘋癲呢？

原來，這跟石墨烯的結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨烯有一個二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而普通金屬內(nèi)部是三維結(jié)構(gòu)。石墨烯這種特殊的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)就如同一條“粒子高速公路”，使得所有帶電粒子（其中一些帶正電荷，另外一些帶負電荷）必須從這條高速公路中通過。它們以極快的速度運動——光速的1/300，在狹路相逢的情況下相互撞擊，室溫條件下每一秒會碰撞對方10萬億次。

而且，研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)部的活性粒子在發(fā)生強相互作用時，其表現(xiàn)出的“行為”類似于水那樣的流動液體，而穿過粒子的能量就像是在水中傳播的波一樣。這種情況可以用流體力學(xué)來描述，他們?yōu)榇诉€計算出了“石墨烯的相對論流體力學(xué)”模型。而無論是內(nèi)部電子的瘋狂相互碰撞，還是流體模型，在普通金屬中都是從未有過的情況。

芯片里的“黑洞”？

相對論流體力學(xué)一般只有在分析黑洞和弦理論時才會用到，可是在研究石墨烯時竟然也會出現(xiàn)這種特性，這讓研究人員很是驚訝。這意味著，一片小小的石墨烯，或許就可以模擬宇宙內(nèi)部其他高能量系統(tǒng)的流體狀情況。

那么，簡簡單單的石墨烯和復(fù)雜的宇宙天體相關(guān)聯(lián)的具體情況是怎樣的呢？

首先我們知道，世界大多數(shù)的情況可以用經(jīng)典物理學(xué)來解釋，比如水是如何流動的？一顆球從高處拋下后的下落曲線是怎樣的，等等，這些只需用經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)知識就能解釋。另一方面，如果是非常微小的物體，比方說電子，就可以用量子力學(xué)來解釋和描述。而對于非常巨大且運動速度非?？斓奈矬w，如星系，則需要用愛因斯坦開創(chuàng)的相對論物理學(xué)來描述。

但這并不是絕對的。比如在解釋宇宙中的超新星和黑洞等高能量系統(tǒng)時，就可以將其中兩者結(jié)合起來：愛因斯坦的相對論和經(jīng)典物理學(xué)中的流體力學(xué)。

對于人類目前的技術(shù)而言，在地球上模擬黑洞這樣的高能系統(tǒng)可以說仍然遙不可及。相比之下，利用具有相同“相對論流體”的石墨烯來模擬黑洞、超新星的行為而進行的實驗，則要簡單得多。這可能意味著，石墨烯制成的芯片不僅很有希望成為下一代超薄電子產(chǎn)品的候選者，為我們帶來更快的數(shù)字運算，可能還有助于科學(xué)家了解發(fā)生在宇宙遙遠的另一端天體內(nèi)部的復(fù)雜量子現(xiàn)象。至于具體如何模擬，我們還得耐心等待科學(xué)家們的新消息。