石墨烯的奧秘

佘惠敏

石墨烯就是單層的石墨

在整個宇宙之中，所有的物質(zhì)都是由不同的元素所構(gòu)成的，但同一種元素卻并非只能構(gòu)成同一種物質(zhì)，元素通過不同的結(jié)構(gòu)進行組合就能夠形成不同的物質(zhì)。以碳元素為例，當一個碳原子周圍有四個碳原子，它們以共價鍵的方式相結(jié)合，且周圍的四個碳原子與中心的碳原子形成一個正四面體結(jié)構(gòu)的時候，就組成了一種物質(zhì)，我們叫它鉆石。因為碳原子之間是以很強的共價鍵結(jié)合的，所以鉆石的硬度很高，又被稱為金剛石。鉆石的硬度很高，但另一個同樣由碳原子所組成的物質(zhì)卻十分光滑，它就是石墨。

當碳原子通過化學鍵結(jié)合成諸多正六邊形的結(jié)構(gòu)，就組成了一個層，很多層疊在一起就組成了石墨。

在石墨中，同一層的碳原子依靠化學鍵結(jié)合，而層與層之間卻沒有化學鍵，它們是依靠原子間的弱堿性電性吸引力結(jié)合在一起的，所以同一層碳原子的結(jié)合非常牢固，而層與層之間則是可以滑動的，而這種層與層之間的滑動就是石墨光滑特性的根源。

那么什么是石墨烯呢？很簡單，石墨烯就是單層的石墨，如果將石墨的一層結(jié)構(gòu)單獨拿出來，那就是石墨烯。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)是在2004年，而在此之前，科學家們一直斷定類似于石墨烯的物質(zhì)是不會存在的，為什么呢？原因很簡單，我們身處在一個三維空間之中，所有的事物都是三維結(jié)構(gòu)的，像石墨烯這種二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)不可能存在于三維空間之中。

一張紙是不是二維結(jié)構(gòu)呢？當然不是，紙是三維結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它是立體的，擁有長寬高，只不過高度，也就是厚度很薄而已。

但石墨烯就不同了，它基本上可以說是一種二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)，石墨烯就是單層石墨，它的結(jié)構(gòu)是平面的，厚度為一個原子，那么這一個原子到底有多厚呢？我們知道，納米這個單位是很小的，一納米就等于10-9米，而單層石墨的厚度為0.355納米，很薄很薄，薄得沒有辦法再薄。

二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)無法存在于三維空間之中，這是一個常識，但有人就偏偏不信邪。這兩個不信邪的人，一個叫作安德烈·海姆，另一個叫作諾沃肖洛夫，他們都來自英國曼徹斯特大學。這兩個人就想啊，一定有什么辦法能夠獲得單層的石墨，畢竟石墨的結(jié)構(gòu)具備這種潛力，同層原子的結(jié)構(gòu)牢固，而層與層之間卻沒有化學鍵相連。

那么怎么能把單層石墨弄出來呢？先別想那么多，先盡量把石墨弄薄再說，于是他們采用了一個非常簡單的辦法，就是用膠條粘。

當我們在紙上寫錯字的時候，就會用膠條把錯字粘下來，這種技術早在三四十年以前就出現(xiàn)了，而我們粘下來的其實是紙張的表面一層。膠條能夠粘下紙上的表層，自然也能粘下石墨，于是一層薄薄的石墨被粘下來了，不過此時的石墨距離單層石墨還有十萬八千里，沒關系，再粘，用另一個膠條把粘有石墨的膠條再粘一下，就又得到了更薄的一層石墨，如此往復，最終就獲得了單層石墨，也就是石墨烯。

別看發(fā)現(xiàn)石墨烯的過程似乎并不太過復雜，但這一發(fā)現(xiàn)卻斬獲了2010年的諾貝爾物理學獎，原因就是人類首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)。

那么石墨烯這種材料到底有何特別之處呢？

石墨烯具有很多優(yōu)點，由于碳原子之間通過化學鍵結(jié)合相當牢固，所以石墨烯是一種又薄、強度又大的物質(zhì)，且具有很好的拉伸性。再者，石墨烯的導電性能和導熱性能都十分優(yōu)異，金屬具有良好的導電性，而在金屬之中導電性能最好的就是銀，而石墨烯的導電性比銀還要好。

1克足以覆蓋一個足球場

石墨為什么不同于金剛石呢？這是因為石墨是由其他材料與石墨混合在一起，而鉆石則是由單一的碳原子組成的物質(zhì)，所以在純度上比石墨更堅固。如果我們在書本上學的這些止步于此，那就沒有石墨烯的出現(xiàn)了，也正是孜孜不倦的探究精神，在1985年人們發(fā)現(xiàn)碳的另一種同素異形體-富勒烯，由60個碳原子的橄欖球狀籠子制成，直到2004年將平坦的碳原子卷曲制成直徑為1納米的超薄空心管和鼓狀石墨烯。

石墨烯是什么觀察許多熟悉的固體材料，我們會發(fā)現(xiàn)：許多原子排列成規(guī)則的、無休止的重復三維結(jié)構(gòu)，只是原子之間沒有看不見的結(jié)合，它們不是結(jié)合在一起，而是固定在一起。鉆石和石墨都具有三維結(jié)構(gòu)，盡管它們是完全不同的：在鉆石中，原子緊密地結(jié)合在三維四面體中，而在石墨中，原子緊密地結(jié)合在二維層中。

而石墨烯是單層石墨。它的晶體結(jié)構(gòu)是二維的。換句話說，石墨烯中的原子是平坦放置的，每一層石墨烯都是由碳的六邊形“環(huán)”制成的，從而呈現(xiàn)出蜂窩狀的外觀。由于這些層本身只有一個原子高度，因此需要堆疊約300萬個才能將石墨烯制成1毫米厚！

所以擁有一個原子厚度的石墨烯注定是很輕的一種物質(zhì)，很顯然我們可以把1克的石墨烯分布開來，足足可以覆蓋一個足球場大小的面積，盡管沒有人這樣做過，但我們可以做一個計算，如果將石墨烯覆蓋我們的整個國土面積，也只需要2000噸而已。

石墨烯被認為是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅固的材料

石墨烯的特點強度：石墨烯比鉆石的硬度更強！石墨烯被認為是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅固的材料，比鋼強200倍。值得注意的是，它既僵硬又有彈性，因此您可以將其拉伸到驚人的程度（原始長度的20%到25%）而不會斷裂。那是因為石墨烯中碳原子的平面可以相對容易地彎曲而不會分裂。我們可以使用這一特征用其制造復合材料，用于汽車制造，以及其他用途，可以更環(huán)保更節(jié)能。

石墨烯形貌表征。

電導率：石墨烯電池大家肯定聽說過，它就是利用了石墨烯的電導率，因為石墨烯的扁平六邊形晶格對電子的阻力相對較小，電子可以快速、輕松地通過電子，甚至比一些超導體載流性能都更好，根據(jù)其超好的防滲透特質(zhì)與體積結(jié)構(gòu)，電池將做得更小，存電量更多，相比普通鋰電池更具環(huán)保性。

電子特性：電導率只是以相對粗糙的方式將電從一個地方“運送”到另一個地方。石墨烯可以搭載操縱帶電的電子流，如果處理器用上了石墨烯，電子像光子一樣穿過石墨烯，速度更快，或許我們能更快速地發(fā)展到6G時代。

光學性質(zhì)：通常，一種物體越薄，它越可能是透明的，石墨烯也一樣，只有一個原子厚的超薄石墨烯幾乎完全透明，它的透光率約97%～98%。但是我們要記住石墨烯也是一種神奇的電導體，我們可以結(jié)合這一性質(zhì)，制作出既是窗戶玻璃又能發(fā)電的環(huán)保材料了。

自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，由單層原子組成的二維材料引起了人們的極大關注。它們具有獨特的電學、光學和機械性能，如高導電性、柔韌性和強度，這使它們成為激光、光伏、傳感器和醫(yī)療應用等領域很有前景的材料。當一張二維材料被放在另一張上并稍微旋轉(zhuǎn)時，扭曲可以從根本上改變雙層材料的性質(zhì)，并導致產(chǎn)生奇異的物理行為，比如高溫超導等。

非線性光學（激發(fā)激光和數(shù)據(jù)傳輸）以及結(jié)構(gòu)超潤滑性（一種新發(fā)現(xiàn)的機械特性）研究人員才剛剛開始了解。對這些性質(zhì)的研究，催生了一個新的研究領域，被稱為扭轉(zhuǎn)電子學，之所以這么叫，是因為它是扭曲和電子學的結(jié)合。阿爾托大學科學家與國際同行合作，首次開發(fā)出一種在足夠大的尺度上，制作這些扭曲層的新方法，其研究發(fā)表在《自然—通訊》期刊上。

鏡像對稱 MATTG 中的電子結(jié)構(gòu)與強超導性。圖片|Nature

那么怎么能把單層石墨弄出來呢？先別想那么多，先盡量把石墨弄薄再說，于是他們采用了一個非常簡單的辦法，就是用膠條粘。

研究轉(zhuǎn)移單原子層二硫化鉬（MoS2）的新方法，使研究人員能夠精確控制面積高達1平方厘米層之間的扭曲角度，使其在大小上打破紀錄，而層間扭角的大范圍控制，是扭轉(zhuǎn)電子學未來實際應用的關鍵。研究的主要作者之一、阿爾托大學杜羅軍（音譯）博士說：該扭曲方法使我們能夠在比以往更大的范圍內(nèi)，調(diào)整堆疊多層二硫化鉬結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，扭曲方法也可以適用于其他二維分層材料。

全新研究領域的重大進步

由于扭振研究是在2018年才引入的，在扭曲材料走向?qū)嶋H應用之前，仍然需要基礎研究來更好地了解它們的性質(zhì)。沃爾夫物理學獎是最負盛名的科學獎之一，頒發(fā)給了他。今年，拉菲·比斯特里策、巴勃羅·賈里洛-赫雷羅和艾倫·H·麥克唐納因他們在雙曲電子學方面的開創(chuàng)性研究而獲獎，這表明了這個新興領域有改變游戲規(guī)則的潛力。以前的研究已經(jīng)證明，通過傳送法或原子力顯微鏡針尖操縱技術，可以在小范圍內(nèi)制造出所需的扭轉(zhuǎn)角度。

樣本大小通常在10微米左右，小于一根頭發(fā)的大小，研究還制備了較大的幾層膜，但層間扭轉(zhuǎn)角是隨機的。現(xiàn)在，研究人員可以使用外延生長方法和水輔助轉(zhuǎn)移方法來生長大尺寸薄膜。由于在轉(zhuǎn)移過程中不需要聚合物，樣品的界面相對干凈。通過控制扭角和超凈的界面，研究人員可以調(diào)整物理性質(zhì)，包括低頻層間模式、能帶結(jié)構(gòu)以及光學和電學性質(zhì)，而且這項研究對于指導基于二維材料雙向電子學的未來應用具有重要意義。

盡管石墨烯的這些特征已被證實，但是還需要解決很多技術難題才能投入生產(chǎn)使用，可以肯定的是石墨烯是一種環(huán)保節(jié)能材料，對我們的環(huán)境有著莫大的提升與改造，相信不久的將來一大部分是石墨烯參與的格局。

◎ 來源| 中國經(jīng)濟網(wǎng)