未來世界的超級材料

被譽為“21世紀神奇材料”的石墨烯，是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是目前世界上最輕、最薄、硬度最高、韌性最強，且導電導熱性能俱佳的新型納米材料之一。目前，石墨烯的研究與應用開發(fā)持續(xù)升溫，有些科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。

石墨烯的前世今生

與大部分新型材料不同，石墨烯的生產(chǎn)并不需要經(jīng)過復雜的化學合成工藝，因為它們本來就存在于自然界一種叫作“石墨”的材料中。如果將石墨比作一摞排列整齊的撲克牌，那么石墨烯就是其中的一張。石墨烯一層層堆疊起來就形成了石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。當我們拿著鉛筆在紙上輕輕劃過，就能留下好多層石墨烯形成的痕跡。

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)，他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們將石墨進行特殊處理后剝離出石墨片，然后將石墨片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷重復這樣的操作，薄片便會越來越薄。最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。為了表彰兩位科學家在石墨烯研究中作出的杰出貢獻，瑞典皇家科學院將2010年諾貝爾物理學獎授予他們。

輕如羽毛但強如鋼鐵

用石墨烯制作的衣服，將會像羽毛一樣輕盈，也能像鋼鐵那樣難以擊穿！沒錯，石墨烯就是這么神奇。它比一張紙輕得多，但強度卻是鋼的幾百倍。我們都知道石墨是自然界中最軟的礦物質(zhì)之一，這也是我們的鉛筆芯容易磨損的原因。那為什么從石墨中剝離出來的石墨烯卻具有與石墨完全相反的特性呢？這是因為石墨烯的神奇力量并不來源于碳元素本身，而是源自其特殊的原子結(jié)構(gòu)排列。人們在研究石墨的時候發(fā)現(xiàn)，其構(gòu)造是單層原子結(jié)構(gòu)一層層堆疊而成的，層與層之間容易發(fā)生滑動，因而石墨本身的結(jié)構(gòu)并不牢固。但是當聚焦于單層石墨的原子結(jié)構(gòu)時，就會發(fā)現(xiàn)其碳原子呈現(xiàn)蜂窩狀的六邊形排布方式，每一個碳原子都與周邊三個碳原子鏈接在一起，從而形成了非常穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。這樣的原子排列方式使得石墨烯不僅強度高，而且延展性極好。

超級導電體

材料導電是基于材料內(nèi)部電子或離子的定向運動。具體來說，導電體如銅、銀等，之所以能夠?qū)щ?，是因為其?nèi)部有自由運動的電子。這些自由電子可以在外加電場的作用下發(fā)生定向移動，從而形成電流，使得材料具有導電性。作為世界上導電性最好的材料之一，室溫下電子在石墨烯中的遷移率是硅材料的10倍多，遠超電子在一般導體中的運動速度。

石墨烯之所以導電性能那么強，首先是因為石墨烯存在一種特殊的化學鍵——大π鍵，正是這種化學鍵的存在，使得部分電子能夠在整個石墨烯平面內(nèi)自由移動，形成導電通道。其次，石墨烯的原子排列非常規(guī)則且缺陷少，這樣的完美晶格結(jié)構(gòu)減少了電子無規(guī)則運動的概率，從而提高了電子的遷移率。最后，石墨烯作為單原子層厚度的材料，電子在二維平面內(nèi)移動時幾乎不受厚度方向上的限制，這進一步提升了電子遷移速度和導電性。以上這些因素共同作用，讓石墨烯具有優(yōu)異的導電性能。

石墨烯的應用領(lǐng)域

除了上文介紹的幾項特性，石墨烯還具有優(yōu)秀的導熱性和光學性能。集這些優(yōu)異性能于一身的石墨烯能在很多領(lǐng)域大展身手。

在電子領(lǐng)域，因為石墨烯具有極高的電子遷移率，可用于制造高速、高頻的電子器件，如石墨烯場效應晶體管（GFET），為制造高速、高靈敏度的傳感器和集成電路提供了可能。此外，由于石墨烯的透光率高、表面電阻小、均勻性好，且化學性能穩(wěn)定、硬度大，使得它在柔性電子、光電子器件和電路領(lǐng)域有廣泛應用。例如，石墨烯可用于制備柔性觸摸屏和透明電子器件。未來，石墨烯還有望成為硅的替代品，制造超級計算機的結(jié)構(gòu)部件——超微型晶體管。據(jù)相關(guān)專家分析，如果用石墨烯取代硅，那么計算機處理器的運行速度將會提高數(shù)百倍。

在能源領(lǐng)域，將石墨烯作為電極材料，可以提高鋰離子電池的能量密度，延長其循環(huán)壽命，有助于生產(chǎn)出更長續(xù)航時間和更快速充電的電池，讓我們告別“電量焦慮”。同時，石墨烯的比表面積（多孔固體物質(zhì)單位質(zhì)量所具有的表面積）大、柔韌性好、導電性能好，使其成為超級電容器中的理想電極材料，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度和高功率密度的能量存儲。除此之外，石墨烯具有優(yōu)良的透光性和高電子遷移性，可用于制備高效的太陽能電池，提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。

在航空航天領(lǐng)域，由于航天器在高空飛行的過程中會面臨高溫和強壓問題，這就意味著制造航天器的材料必須兼具散熱快和硬度高這兩項功能，在這方面石墨烯是不二之選。除此之外，石墨烯具有非常靈敏的傳感特性，可以檢測外太空環(huán)境的細微變化，因此可以被用于制造各種傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器等。

最初，蓋姆和諾沃肖洛夫利用膠帶反復粘、撕石墨，最終得到僅由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。這種用膠帶一層層反復剝離石墨薄片得到石墨烯的方法，生產(chǎn)效率極低，只能用來制備微米厚度的石墨烯，且無法進行工業(yè)化量產(chǎn)。后來，隨著科技水平的提高，石墨烯的制備效率有了大幅提高。目前，除了傳統(tǒng)的物理機械剝離法，還有氧化還原法、溶劑剝離法、化學氣相沉積法等多種制備石墨烯的方法。盡管如此，低成本、高效率地生產(chǎn)大面積、高純度的石墨烯仍然是個技術(shù)難題，但這些難題并不是無法攻克的。隨著科技的進步和研究的深入，相信石墨烯的“超能力”在未來將得到更充分的發(fā)揮和應用，在各個應用場景中大展身手！

（誼人摘自《科學24小時》2025年第2期）