解密：生而不凡——新材料之王石墨烯
2015-06-29 08:53:53 Ifeng手機充電只需幾秒鐘?史上最薄電燈泡?光驅動飛行器?關于石墨烯非凡應用的新聞不斷出現在人們的視野當中，似乎石墨烯已經成為了無所不能的超級材料。石墨烯是什么?到底有什么特性讓它備受推崇?本期解密：生而不凡——新材料之王石墨烯。
石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。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年諾貝爾物理學獎。
實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。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。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
石墨烯的誕生倒是一件趣事。當時蓋姆把一大塊兒高定向熱解石墨和一臺高級拋光機交給了一位新來的中國博士生，希望他做出盡可能薄的膜。三個星期后博士生給了蓋姆一個10微米厚的培養皿。蓋姆生氣地問他能不能磨得更薄?博士生說：“那你就自己試試吧。”
蓋姆只得自己做了，不過他采用了一種非常“土”的方法。他用透明膠帶在石墨上粘一下就會有石墨層被粘在膠帶上，把膠帶對折后粘一下再拉開，兩端就都沾有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復多次，終于薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨烯就制成了。
在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚體物理學學術界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。
在隨后三年內， 安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，他們也因此獲得2010年度物理學諾貝爾獎。
石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質的物理性質。
作為目前發現的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀。”
石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。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毫克可以承受一只貓的重量。
難以想象的是，石墨本身幾乎是最軟的礦物質(莫氏硬度只有1~2級)，“切”成一個碳原子厚度的薄片時，“性格”會發生如此之大的變化，石墨烯的硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高，但卻又有很好的韌性，可以彎曲。
因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中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。
石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。據相關專家分析，用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。
另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。
石墨烯具有很強的化學敏感性，可以制成高效探測器等。涂有石墨烯的傳感器可以檢測到含有用于炸藥、氨等化學物質的低濃度的蒸汽。
石墨烯的這些特性注定要給諸多產業帶來翻天覆地的變化。但是我們普通人最關心的還是石墨烯可能會給我們的生活帶來什么樣的便捷。雖然現在仍有制備上的困難和成本限制等問題，但已經有一些優秀研究成果問世，展現了極佳的研發前景。
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;加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用于制造汽車、飛機和衛星。
中國的科研人員發現細菌的細胞在石墨烯的紙上無法生長，而人類細胞則不會受損。利用這一點可以利用它來做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。
針對將石墨烯的強度和韌性， 微軟創始人比爾?蓋茨的“比爾和梅琳達蓋茨基金會”早前制定出“新世代安全套”計劃，將提供10萬美元贊助款給英國曼徹斯特大學，以研發更薄更堅韌的安全套。
西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。最重要的是其成本將比鋰電池低77%，消費者完全可承受。
一直以來，石墨烯都是科研人員眼中的寵兒。近日，一個由美韓研究人員組成的聯合小組報告稱他們將小片石墨烯連接到金屬電極上，懸空于基底材料上方并加載一定的電流使其加熱，制成了只有一層原子的世界最薄電燈泡，或將制成最薄的顯示器。
南開大學的一個聯合科研團隊通過3年的研究，獲得一種光照即可移動的特殊石墨烯材料。據悉，這是迄今為止科學界第一次用光推動一個宏觀物體并實現的宏觀驅動。介紹這一成果的論文一經發表就迅速引起了國際科學界關注。
像石墨烯這種具有革命性的新材料的發展，需要長期的資本投入，以創建完整的價值鏈和實現與終端市場應用領域的有效對接。隨著科技的進步，石墨烯制備和應用的產業化浪潮必將在全球范圍內展開。
