解讀“石墨烯”

石墨烯（graphene）是碳單質(zhì)的一種同素異形體，由碳原子以sp2雜化方式形成的六角環(huán)狀二維原子晶體材料，也是以sp2雜化為主的碳質(zhì)材料的基本結(jié)構(gòu)單元。

理論上，石墨烯只有單個碳原子層的厚度，約0.35納米。實(shí)際上，人們常把10層以內(nèi)的薄層石墨統(tǒng)稱為石墨烯材料。石墨烯譯自英文“graphene”，是由graphite（石墨）和ene（烯類詞尾）組合而成的名詞。

2010年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2010年度諾貝爾物理學(xué)獎授予英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授，以表彰他們在石墨烯方面的開創(chuàng)性實(shí)驗研究。這是繼1996年諾貝爾化學(xué)獎授予富勒烯的發(fā)現(xiàn)之后，再次表彰碳材料領(lǐng)域的重大科學(xué)成就。

事實(shí)上，人類對石墨烯的結(jié)構(gòu)并不陌生，石墨烯與石墨、金剛石一樣，完全由碳原子構(gòu)成。它是由單層碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀晶體材料。石墨烯的研究可追溯到20世紀(jì)40年代，1947年，加拿大的菲利普·華萊士首次計算了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其具有奇特的線性色散關(guān)系。1962年，德國的漢斯-皮特·波姆將氧化石墨還原，在透射電子顯微鏡下觀察到了原子厚度的石墨烯片。2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫采用了簡單有效的粘膠帶剝離法，從石墨晶體中分離出高質(zhì)量的單層和少層石墨烯，使對石墨烯性質(zhì)的研究成為可能，并發(fā)現(xiàn)其具有半金屬特性和雙極性電場效應(yīng)。隨后，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)石墨烯具有許多獨(dú)特而優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，如無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子、量子霍爾效應(yīng)、極高的載流子遷移率、亞微米尺度的彈道輸運(yùn)特性，以及超大比表面積和極高的熱導(dǎo)率、透光率、彈性模量與強(qiáng)度。因此，石墨烯可能在信息、能源、航空、航天等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，包括用于新型動力電池、高效散熱膜、透明觸摸屏、可穿戴設(shè)備、超靈敏傳感器、智能玻璃、低損耗光纖、高頻晶體管、防彈衣、輕質(zhì)高強(qiáng)航空航天材料，等等。

石墨烯一出現(xiàn)即備受關(guān)注，迅速成為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的新星。我國雖在石墨烯研究領(lǐng)域起步稍晚，但現(xiàn)在已是世界上石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家。目前，石墨烯的研究與開發(fā)仍面臨著一系列挑戰(zhàn)，特別是在高質(zhì)量石墨烯的可控規(guī)模制備與不可替代應(yīng)用開拓方面。但筆者相信，經(jīng)過政、產(chǎn)、金、學(xué)、研、用的全方位努力，石墨烯這一結(jié)構(gòu)簡單而性能優(yōu)異的新材料，必將成為支撐人類生產(chǎn)、生活發(fā)展的神奇材料。

（轉(zhuǎn)載自“學(xué)習(xí)強(qiáng)國每日科技名詞欄目”，作者成會明為中國科學(xué)院金屬研究所研究員、清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院教授、中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士）