我們每個(gè)人都有使用鉛筆的經(jīng)歷，但幾乎沒(méi)有人意識(shí)到當(dāng)我們用鉛筆在紙上留下字跡的同時(shí)也不知不覺(jué)地制造出了很有可能在不久的將來(lái)改變?nèi)祟?lèi)生活的新材料。這種目前在科學(xué)界最熱門(mén)的材料就是石墨烯。顧名思義，石墨烯與石墨有緊密的聯(lián)系。我們知道，石墨是一類(lèi)層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網(wǎng)絡(luò)有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個(gè)最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個(gè)碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。但長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們從理論上一直認(rèn)為這種純粹的二維晶體材料是無(wú)法穩(wěn)定存在的，一些試圖制備石墨烯的工作也均以失敗而告終。直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的A. Geim教授及其合作人員憑借極大的耐心與一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣終于如大海撈針般首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯。他們采取的手段與鉛筆寫(xiě)字有異曲同工之妙，即通過(guò)透明膠帶對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)的粘貼與撕開(kāi)使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過(guò)顯微鏡在大量的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米(約為頭發(fā)直徑的二十萬(wàn)分之一)的石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界引起了巨大的轟動(dòng)，不僅是因?yàn)樗�打破了二維晶體無(wú)法真實(shí)存在的理論預(yù)言，更為重要的是石墨烯的出現(xiàn)帶來(lái)了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為繼富勒烯和碳納米管后又一個(gè)里程碑式的新材料。而Geim教授也憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的提名。

　　石墨烯這一目前世界上最薄的物質(zhì)首先讓凝聚態(tài)物理學(xué)家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強(qiáng)，因此即使經(jīng)過(guò)多次的剝離，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)依然相當(dāng)完整，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無(wú)阻的遷移，其遷移速率為傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅材料的數(shù)十至上百倍。這一優(yōu)勢(shì)使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學(xué)家們已經(jīng)研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂(lè)觀地預(yù)計(jì)不久就會(huì)出現(xiàn)全由石墨烯構(gòu)成的全碳電路并廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。此外，二維石墨烯材料中的電子行為與三維材料截然不同，無(wú)法用傳統(tǒng)的量子力學(xué)加以解釋?zhuān)�而必須運(yùn)用更為復(fù)雜的相對(duì)論量子力學(xué)來(lái)闡釋。因此石墨烯為相對(duì)論量子力學(xué)的研究提供了很好的平臺(tái)，而在這之前科學(xué)家們只能在高能宇宙射線或高能加速器中對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證，如今終于可以在普通環(huán)境下輕松開(kāi)展研究了。

　　石墨烯還具有超高的強(qiáng)度，碳原子間的強(qiáng)大作用力使其成為目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。石墨烯良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過(guò)性又讓它在透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而這類(lèi)薄膜在液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域至關(guān)重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景�？梢哉f(shuō)，石墨烯的出現(xiàn)不僅給科學(xué)家們提供了一個(gè)充滿魅力與無(wú)限可能的研究對(duì)象，更讓我們對(duì)其充滿了期待，也許在不久的將來(lái)，石墨烯就會(huì)為我們搭建起更加便捷與美好的生活。

　　看了以上的介紹，如果你對(duì)石墨烯產(chǎn)生了興趣的話，不妨也可以嘗試著DIY一下。其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要你一點(diǎn)石墨、有一卷膠帶和一臺(tái)顯微鏡就可以了，當(dāng)然還要加上足夠的耐心。好了，現(xiàn)在你就可以像Geim教授一樣開(kāi)始在科學(xué)世界中的探索了。

　　英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的研究榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯結(jié)構(gòu)

　　石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬;作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對(duì)論量子物理學(xué)(relativistic quantum physics)才能描繪。

　　石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

　　這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)�碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

石墨烯特性

　　石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱(chēng)為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。

　　為了進(jìn)一步說(shuō)明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，我們先對(duì)相對(duì)論量子力學(xué)或稱(chēng)量子電動(dòng)力學(xué)做一些了解。

　　經(jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)能量較低的電子遇到勢(shì)壘的時(shí)候，如果能量不足以讓它爬升到勢(shì)壘的頂端，那它就只能待在這一側(cè);在量子力學(xué)中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當(dāng)它遇到勢(shì)壘的時(shí)候，有可能以某種方式穿透過(guò)去，這種可能性是零到一之間的一個(gè)數(shù);而當(dāng)石墨烯中電子波以極快的速度運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘前時(shí)，就需要用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。量子電動(dòng)力學(xué)作出了一個(gè)更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)。

　　以下實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子電動(dòng)力學(xué)的預(yù)言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓(相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘)，然后測(cè)定石墨烯的電導(dǎo)率。一般認(rèn)為，增加了額外的勢(shì)壘，電阻也會(huì)隨之增加，但事實(shí)并非如此，因?yàn)樗�有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應(yīng)，通過(guò)率達(dá)100%。這也解釋了石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性：相對(duì)論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。

　　另外，研究也發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕�收大約2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴”之門(mén)，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)(約合37000千米)太空電梯可能成為現(xiàn)實(shí)。

　　石墨烯可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。

　　師生憑石墨烯研究 同獲諾貝爾獎(jiǎng)他們?cè)�是師生，現(xiàn)在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，也曾一同在荷蘭學(xué)習(xí)和研究，最后他們又一起在英國(guó)制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)�！『Ｄ泛椭Z沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個(gè)碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導(dǎo)體，石墨烯比目前任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好�！『Ｄ泛椭Z沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終會(huì)替代硅�！∮捎诔晒�要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說(shuō)：“今天早上聽(tīng)說(shuō)這個(gè)消息時(shí)，我非常驚喜，第一個(gè)想法就是奔到實(shí)驗(yàn)室告訴整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。”而海姆則表示，“我從沒(méi)想過(guò)獲諾貝爾獎(jiǎng)，昨天晚上睡得很踏實(shí)”。　海姆認(rèn)為，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的有兩種人：一種是獲獎(jiǎng)后就停止了研究，至此終老一生再無(wú)成果;一種是生怕別人認(rèn)為他是偶然獲獎(jiǎng)的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當(dāng)然我會(huì)像平常一樣走進(jìn)辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活。”

比鉆石還要堅(jiān)硬

　　硅片上有數(shù)千個(gè)肉眼看不見(jiàn)的小孔。科學(xué)家開(kāi)始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，科學(xué)家花費(fèi)數(shù)天時(shí)間，希望能在硅片小孔上發(fā)現(xiàn)合適的單原子厚的石墨烯薄片。

　　一旦科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開(kāi)始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對(duì)它們進(jìn)行穿刺，從而測(cè)試它們的強(qiáng)度。讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯比鉆石還強(qiáng)硬，它的強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還高100倍!

　　美國(guó)機(jī)械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。

可做“太空電梯”纜線

　　據(jù)科學(xué)家稱(chēng)，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱(chēng)是人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴”之門(mén)。美國(guó)研究人員稱(chēng)，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)23000英里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)“石墨烯”完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線!

　　人類(lèi)通過(guò)“太空電梯”進(jìn)入太空，所花的成本將比通過(guò)火箭升入太空便宜很多。為了激勵(lì)科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅(jiān)韌材料，美國(guó)NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。

代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

　　不過(guò)據(jù)科學(xué)家稱(chēng)，盡管石墨烯在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，但科學(xué)家可能仍然需要花費(fèi)數(shù)年甚至幾十年時(shí)間，才能找到一種將石墨轉(zhuǎn)變成大片高質(zhì)量石墨烯“薄膜”的方法，從而可以用它們來(lái)為人類(lèi)制造各種有用的物質(zhì)。

　　據(jù)科學(xué)家稱(chēng)，石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨(dú)一無(wú)二的特性，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。