石墨烯：芯片里的“黑洞”

徐懷

科學家們對石墨烯這一物質的出現感到極其興奮，認為它具有巨大的工業潛力，甚至預言它會顛覆由硅主導的芯片時代，在未來掀起一場技術革命。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·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鍵的特有性質，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用——取代硅，提高電池效率，改善電腦、手機觸摸屏的效率。據說用石墨烯代替硅，計算機處理器的運行速度將快上數百倍。

種種優點使得石墨烯深受科學家們的歡迎，成為工業的新寵兒。但是不得不說，想要將它生產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構。若要產出沒有雜質的純凈石墨烯，更是難上加難了。因此，石墨烯的發展道路可謂是“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，才能克服它的生產問題。科學家們觀察到，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“異常”，它們會以相當快的速度互相撞擊。與之相反的是，普通金屬內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得如此瘋癲呢？

原來，這跟石墨烯的結構有關。石墨烯有一個二維蜂窩狀結構，而普通金屬內部是三維結構。石墨烯這種特殊的二維蜂窩狀結構就如同一條“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，研究人員發現石墨烯內部的活性粒子在發生強相互作用時，其表現出的“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來描述，他們為此還計算出了“石墨烯的相對論流體力學”模型。而無論是內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部其他高能量系統的流體狀情況。

那么，簡簡單單的石墨烯和復雜的宇宙天體相關聯的具體情況是怎樣的呢？

首先我們知道，世界大多數的情況可以用經典物理學來解釋，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，這些只需用經典物理學中的力學知識就能解釋。另一方面，如果是非常微小的物體，比方說電子，就可以用量子力學來解釋和描述。而對于非常巨大且運動速度非常快的物體，如星系，則需要用愛因斯坦開創的相對論物理學來描述。

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時，就可以將其中兩者結合起來：愛因斯坦的相對論和經典物理學中的流體力學。

對于人類目前的技術而言，在地球上模擬黑洞這樣的高能系統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品的候選者，為我們帶來更快的數字運算，可能還有助于科學家了解發生在宇宙遙遠的另一端天體內部的復雜量子現象。至于具體如何模擬，我們還得耐心等待科學家們的新消息。