石墨烯：未來極具潛力的新材料

文／陳思進

迄今為止，人類社會已經歷經了三次工業革命。第一次工業革命是18世紀60年代到19世紀中的蒸汽時代。之前，人類活動都是依靠人力，但人的力量是有限的。在蒸汽機出現以后，人類的生產力得到了解放，從農業時代進入到了工業時代。第二次工業革命是19世紀下半葉到20世紀初的電氣時代，隨著電力的廣泛使用，并且開始使用第二種化石能源——石油，人類進入現代化社會。第三次工業革命是從20世紀四五十年代直到今天，隨著第一臺二進制計算機的問世，人類進入了信息時代。

目前，科技界普遍認為，人類已進入第四次工業革命的初期，量子科技、人工智能、基因工程、新材料、新能源等是核心的基礎科技。

我之前在專欄中簡單科普了量子科技、人工智能等，接下來再介紹新材料，先從堪稱能改變世界格局的21世紀的“新材料之王”——石墨烯（Graphene）談起。

什么是石墨烯？

簡而言之，石墨烯是碳的一種存在形式，它與鉛筆芯、金剛石（也就是鉆石）等為同素異形體，由同樣的單一化學元素組成，區別只是它們的碳原子之間的結構不同，因排列方式不同而具有不同性質。

就拿鉆石來說，其碳12原子的結構特征是每個碳原子都有4個共價鍵，原子間結構牢固，組成具有4個角相等的正四面體，形成一個鉆石晶胞，然后無數個鉆石晶胞聚在一起形成了鉆石。

那么，什么是石墨呢？石墨不是立體結構，是一層一層的，每一層由無數個6個碳原子形成的環連在一起，而無數層摞起來就是石墨。

不過，層與層之間沒有化學鍵，靠的是分子的范德華力（指分子或原子之間非定向的、無飽和性的、較弱的相互作用力）結合，而范德華力和化學鍵相比，結實程度相差太遠，好似手紙一般，層與層之間非常松軟，而且還可以相互滑動，因此，石墨具有潤滑性。

以前，石墨烯被認為是假設性結構，無法單獨穩定存在，直至2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和他的學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因“二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

其實，他們沒有使用任何高科技手段，而是“純手工”用透明膠帶來切割石墨，將石墨烯“撕”出來的。不過，這聽著簡單，卻包含了一個數學原理，就是不管多厚，哪怕有幾萬層，只要每次一分為二，再一分為二，循環往復，分15次就能達到目的。

石墨烯可以用在哪兒？

顯然，石墨烯是目前世上最薄的納米材料，一層的厚度只有0.355納米，三層一塊兒才一個多納米，是幾乎完全透明的，只吸收2.3%的光，好似二維結構；又是目前最堅硬的納米材料，重量極輕，強度卻是鋼的300倍！同時還是目前電阻率最小的材料，以及拉伸性好、導熱性和散熱性最強。

由于石墨烯的電子移動速度極快，又輕又薄又結實，機械強度特別高，再加上它是透明、電阻率極低、良好的導體，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件，甚至芯片；也適合用來制造透明觸控（可折疊的）屏幕或光板，甚至太陽能電池；并可用來做汽車或航空材料；在軍事上的用途更廣，比如防彈衣、航母彈射器管道中的潤滑層。

而在科幻作品中，大家可能聽說過太空電梯。現在人類上太空需要發射運載火箭，載人艙與空間站對接，又費錢又費時，相當危險。于是，在科幻影視里，人類會搭建一部電梯，直接連接到太空站，去太空旅游的話，只要進到這個電梯，按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯，因其又輕又堅固，這個科幻構想也許將成為現實！