改變世界的神奇材料

胡紫霞

天氣越來(lái)越冷，爸爸媽媽商量買(mǎi)一張石墨烯發(fā)熱地毯鋪在客廳。銘銘十分好奇：“石墨烯？這是一種什么材料呢？”

爸爸：石墨烯不是一種天然存在的材料，它是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于2004年發(fā)明的。他們因此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)呢！

安德烈：不論是柔軟易碎的石墨，還是堅(jiān)硬無(wú)比的鉆石，它們的本質(zhì)都是碳元素的同素異形體。因?yàn)樘荚拥呐帕薪M合方式不同，使得它們的形態(tài)和特點(diǎn)大相徑庭。你小時(shí)候?qū)懽钟玫你U筆，書(shū)寫(xiě)潤(rùn)滑，筆芯卻容易斷裂，這就是因?yàn)槭瞧瑢訝畹氖M成的，雖然每一層都很堅(jiān)固，但一施加外力就容易分層斷裂。既然如此，我們就有了一個(gè)大膽的想法，能不能分離出石墨中堅(jiān)固、穩(wěn)定的單層碳原子呢？由于石墨片層與層之間作用力較弱，當(dāng)石墨被剝離至單層，僅有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，這層石墨片就是石墨烯。

康斯坦丁：2004年，我們倆領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間，撕開(kāi)膠帶，石墨片就被一分為二。如此反復(fù)操作，最終得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片——石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。

安德烈：我們發(fā)現(xiàn)，它的厚度僅有0.35納米，是人類(lèi)頭發(fā)絲直徑的20萬(wàn)分之一。一片1毫米厚的石墨片由近300萬(wàn)層石墨烯堆垛而成。石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨(dú)特性質(zhì)令世人驚嘆，更有人稱(chēng)之為“改變21世紀(jì)的新型材料”。

銘銘：石墨烯的性質(zhì)到底特別在哪里？為什么會(huì)被科學(xué)界如此看重呢？

康斯坦丁：石墨烯具有完美的二維平面結(jié)構(gòu)。它蘊(yùn)含的豐富而新奇的物理特性的奧秘就來(lái)源于此。首先，它強(qiáng)度高，是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，強(qiáng)度通常為世界上最好鋼鐵的數(shù)十倍。石墨烯擁有完美的對(duì)稱(chēng)正六邊形結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定。其次，它各個(gè)碳原子之間的連接很牢固，即使受到外力沖擊，也可以通過(guò)彎曲變形來(lái)維持穩(wěn)定，柔韌度很好。

爸爸：這不禁讓人聯(lián)想到彎曲的屏幕、防彈衣、軍事武器的外部材料，甚至是我們手里提的袋子。來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，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。

安德烈：最令科學(xué)界矚目的，是它超強(qiáng)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。石墨烯是世界上已知的電阻率最小的材料。電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)幾乎沒(méi)有阻力，遷移速度極快。因?yàn)檫@一特點(diǎn)，石墨烯被期待用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。人們期待石墨烯可以成為制作芯片的候選材料。這樣不僅能提高計(jì)算機(jī)性能，也不用擔(dān)心散熱問(wèn)題。其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，遠(yuǎn)優(yōu)于碳納米管和金剛石。石墨烯在未來(lái)電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景，成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

康斯坦丁：此外，石墨烯還具有優(yōu)異的透光性。它只吸收大約2.3%的光，透光率在97%以上，看起來(lái)幾近透明。透明、良好的導(dǎo)電特性，使它極適合于制造透明可觸控屏幕、光板，甚至是用于制造太陽(yáng)能電池。

爸爸：或許在未來(lái)還可以應(yīng)用在投影領(lǐng)域，比如智能眼鏡、智能顯示屏等。

安德烈：石墨烯還有個(gè)特點(diǎn)，就是表面積大，每克石墨烯的總面積可以達(dá)到2600多平方米，再加上規(guī)范的多孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，使其成為最有潛力的電極材料。尤其是在能源領(lǐng)域，若將石墨烯添加在鋰電池中，可以大大提升鋰電池的儲(chǔ)電量和導(dǎo)電性能。2014年，西班牙的一家公司就研發(fā)了首款石墨烯聚合材料電池，能夠供電動(dòng)車(chē)行駛1000千米 ，而充電時(shí)間僅要8分鐘。

康斯坦丁：石墨烯“出道”時(shí)間雖短，但由于其具備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、極輕薄等優(yōu)勢(shì)，使產(chǎn)業(yè)界迅速嗅到了其在電子、航天、軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域可能的應(yīng)用潛力，有望引發(fā)現(xiàn)代電子科技新革命。

安德烈：但是從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)應(yīng)用仍有很遠(yuǎn)的路要走。目前制造出來(lái)的石墨烯產(chǎn)品大多并不是完整的單層結(jié)構(gòu)，而是復(fù)合后的多層結(jié)構(gòu)。這會(huì)讓石墨烯的優(yōu)勢(shì)大打折扣。因此，尋求如何制造出高質(zhì)量的石墨烯材料、如何優(yōu)化制備工藝、如何降低生產(chǎn)成本以及發(fā)掘石墨烯應(yīng)用的更多可能，是科研人員不斷努力的方向。這將為石墨烯真正走上產(chǎn)業(yè)化道路奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

銘銘：好期待啊！