材料新貴石墨烯

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2013年8月，劍橋大學的安德烈亞·費拉里博士發布了一項最新研究成果。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，其超強的柔韌性將可能實現把電話和電子報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引發了全球科學家們的“淘金熱”。有業內人士如此評價：“如果說20世紀是硅的世紀，石墨烯則開創了21世紀的新材料紀元，將給世界帶來巨大變化?！?/p>

什么是石墨烯？

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，也是目前世界上最薄、最堅硬、最強韌的納米材料。它有多??？石墨烯只有0.34納米厚，粗略估計一下，一根頭發絲的直徑，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？如果物理學家能制取出厚度相當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到最佳。常溫下，石墨烯電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

比起易碎的硅，石墨烯易彎曲且可拉伸，因為石墨烯的結構非常穩定，其內部的碳原子之間的連接很柔韌，當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外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構也使石墨烯具有優秀的導熱性，導熱系數高達 5300 W/m·K。過去，人們認為鉆石的熱導率最高，但是石墨烯的熱導率是它的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，就是因為石墨層間作用力弱，容易剝離下單層石墨片。所以，我們在作業本上每劃一筆，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。

石墨烯一直被認為只是假設性的結構，無法單獨穩定地存在。直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地用“微機械剝離法”在實驗中從石墨中分離出石墨烯，觀測到其形貌，證實它可以單獨存在。微機械剝離的方法其實極為簡單，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。 通過不斷地重復這個過程，片狀石墨越來越薄，最終就可以得到一定數量的石墨烯。兩人憑借此“二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

石墨烯的應用

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，科學界掀起了一股石墨烯應用研究的狂潮。

2011年4月，IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體管，該產品每秒能執行1550億個循環操作，比之前的晶體管快50%。2011年5月，美國華裔科學家使用納米材料石墨烯研制出了一款調制器，他表示，這個只有頭發絲四百分之一細的光學調制器具備的高速信號傳輸能力有望將互聯網速度提高一萬倍，一秒鐘可以下載或傳輸十部高清電影。2012年3月，美國加州大學洛杉磯分?；瘜W、生物化學教授理查德·卡勒和他的學生馬希爾·艾卡迪利用石墨烯為原材料，發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在的鋰電池快100倍到1000倍，幾分鐘就能完成智能手機甚至是電動車的充電。

根據石墨烯強度超大、超薄的特性，它可廣泛運用于各個領域，如超薄超輕型飛機材料、像羽毛一樣輕的飛船外殼、超輕的防彈衣等。根據其優異的導電性，它有可能會成為硅的替代品，在微電子領域具有巨大的應用潛力，如用石墨烯能制作出幾乎不發熱的芯片，用來生產超級計算機。而石墨稀更快的電子遷移率，可以使未來的計算機獲得更快的速度。

有了石墨烯，未來半導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算機不再是理論設想；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電性；汽車、飛機和宇宙飛船的外殼可能就是薄、輕、拉伸性好和超強韌的石墨烯材料。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，還沒人知道。