白龍魚服

2013年8月，劍橋大學的安德烈亞·費拉里博士發(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)了全球科學家們的“淘金熱”。有業(yè)內人士如此評價：“如果說20世紀是硅的世紀，石墨烯則開創(chuàng)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(fā)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(wěn)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(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構也使石墨烯具有優(yōu)秀的導熱性，導熱系數(shù)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(yè)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(wěn)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(shù)量的石墨烯。兩人憑借此“二維石墨烯材料的開創(chuàng)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(zhí)行1550億個循環(huán)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(fā)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(lián)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校化學、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(fā)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(xiàn)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(yōu)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(fā)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。