石墨烯是21世紀最偉大(dà)的發現之一，它在材料領域被稱之為(wèi)材料之王，其原因是它幾乎在所有(yǒu)能想到的領域都能發揮超乎想象的神器(qì)功效。用在電(diàn)池上(shàng)電(diàn)池容量将變為(wèi)現有(yǒu)的三倍，但(dàn)充電(diàn)時(shí)間(jiān)僅為(wèi)現在的十分之一不到，同時(shí)價格比現在還(hái)便宜很(hěn)多(duō)。用在燈泡上(shàng)其發光效率比現有(yǒu)LED高(gāo)一倍左右，但(dàn)其厚度不足1微米。關于石墨烯非凡應用的新聞不斷出現在人(rén)們的視(shì)野當中，似乎石墨烯已經成為(wèi)了無所不能的超級材料。石墨烯是什麽？到底有(yǒu)什麽特性讓它備受推崇？
石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的隻有(yǒu)一層原子厚度的二維晶體(tǐ)。2004年，英國曼徹斯特大(dà)學物理(lǐ)學家(jiā)安德烈?蓋姆和(hé)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(kě)以單獨存在，兩人(rén)也因此共同獲得(de)2010年諾貝爾物理(lǐ)學獎。
實際上(shàng)石墨烯本來(lái)就存在于自然界，隻是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大(dà)約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上(shàng)輕輕劃過，留下的痕迹就可(kě)能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
石墨烯的誕生(shēng)倒是一件趣事。當時(shí)蓋姆把一大(dà)塊兒高(gāo)定向熱解石墨和(hé)一台高(gāo)級抛光機交給了一位新來(lái)的中國博士生(shēng)，希望他做(zuò)出盡可(kě)能薄的膜。三個(gè)星期後博士生(shēng)給了蓋姆一個(gè)10微米厚的培養皿.蓋姆生(shēng)氣地問他能不能磨得(de)更薄？博士生(shēng)說：“那(nà)你(nǐ)就自己試試吧(ba)。”
蓋姆隻得(de)自己做(zuò)了，不過他采用了一種非常“土”的方法。他用透明(míng)膠帶在石墨上(shàng)粘一下就會(huì)有(yǒu)石墨層被粘在膠帶上(shàng)，把膠帶對折後粘一下再拉開(kāi)，兩端就都沾有(yǒu)石墨層，石墨層又變薄了。如此反複多(duō)次，終于薄到隻有(yǒu)一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨烯就制(zhì)成了。
在發現石墨烯以前，大(dà)多(duō)數(shù)物理(lǐ)學家(jiā)認為(wèi)，熱力學漲落不允許任何二維晶體(tǐ)在有(yǒu)限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚體(tǐ)物理(lǐ)學學術(shù)界。雖然理(lǐ)論和(hé)實驗界都認為(wèi)完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但(dàn)是單層石墨烯在實驗中被制(zhì)備出來(lái)。
在随後三年內(nèi), 安德烈·海姆和(hé)康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和(hé)雙層石墨烯體(tǐ)系中分别發現了整數(shù)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(de)2010年度物理(lǐ)學諾貝爾獎。
石墨烯對物理(lǐ)學基礎研究有(yǒu)着特殊意義，它使一些(xiē)此前隻能紙上(shàng)談兵的量子效應可(kě)以通(tōng)過實驗來(lái)驗證，例如電(diàn)子無視(shì)障礙、實現幽靈一般的穿越。但(dàn)更令人(rén)感興趣的，是它那(nà)許多(duō)“極端”性質的物理(lǐ)性質。
作(zuò)為(wèi)目前發現的最薄、最堅硬、導電(diàn)導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為(wèi)“黑(hēi)金”，是“新材料之王”，科學家(jiā)甚至預言石墨烯将“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(hái)要高(gāo)200倍。同時(shí)它又有(yǒu)很(hěn)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(zuò)成吊床，本身重量不足1毫克可(kě)以承受一隻貓的重量。
難以想象的是，石墨本身幾乎是最軟的礦物質（莫氏硬度隻有(yǒu)1~2級），“切”成一個(gè)碳原子厚度的薄片時(shí)，“性格”會(huì)發生(shēng)如此之大(dà)的變化，石墨烯的硬度比莫氏硬度10級的金剛石還(hái)要高(gāo)，但(dàn)卻又有(yǒu)很(hěn)好的韌性，可(kě)以彎曲。
因為(wèi)隻有(yǒu)一層原子，電(diàn)子的運動被限制(zhì)在一個(gè)平面上(shàng)，石墨烯也有(yǒu)着全新的電(diàn)學屬性。石墨烯是世界上(shàng)導電(diàn)性最好的材料，電(diàn)子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電(diàn)子在一般導體(tǐ)中的運動速度。
石墨烯目前最有(yǒu)潛力的應用是成為(wèi)矽的替代品，制(zhì)造超微型晶體(tǐ)管，用來(lái)生(shēng)産未來(lái)的超級計(jì)算(suàn)機。據相關專家(jiā)分析，用石墨烯取代矽，計(jì)算(suàn)機處理(lǐ)器(qì)的運行(xíng)速度将會(huì)快數(shù)百倍。
另外，石墨烯幾乎是完全透明(míng)的，隻吸收2.3%的光。另一方面，它非常緻密，即使是最小(xiǎo)的氣體(tǐ)原子(氦原子)也無法穿透。這些(xiē)特征使得(de)它非常适合作(zuò)為(wèi)透明(míng)電(diàn)子産品的原料，如透明(míng)的觸摸顯示屏、發光闆和(hé)太陽能電(diàn)池闆。
石墨烯具有(yǒu)很(hěn)強的化學敏感性，可(kě)以制(zhì)成高(gāo)效探測器(qì)等。塗有(yǒu)石墨烯的傳感器(qì)可(kě)以檢測到含有(yǒu)用于炸藥、氨等化學物質的低(dī)濃度的蒸汽。
石墨烯的這些(xiē)特性注定要給諸多(duō)産業帶來(lái)翻天覆地的變化。但(dàn)是我們普通(tōng)人(rén)最關心的還(hái)是石墨烯可(kě)能會(huì)給我們的生(shēng)活帶來(lái)什麽樣的便捷。雖然現在仍有(yǒu)制(zhì)備上(shàng)的困難和(hé)成本限制(zhì)等問題，但(dàn)已經有(yǒu)一些(xiē)優秀研究成果問世，展現了極佳的研發前景。
在塑料裏摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電(diàn)性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高(gāo)30攝氏度。在此基礎上(shàng)可(kě)以研制(zhì)出薄、輕、拉伸性好和(hé)超強韌新型材料，用于制(zhì)造汽車(chē)、飛機和(hé)衛星。
中國的科研人(rén)員發現細菌的細胞在石墨烯的紙上(shàng)無法生(shēng)長，而人(rén)類細胞則不會(huì)受損。利用這一點可(kě)以利用它來(lái)做(zuò)繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。
針對将石墨烯的強度和(hé)韌性, 微軟創始人(rén)比爾?蓋茨的“比爾和(hé)梅琳達蓋茨基金會(huì)”早前制(zhì)定出“新世代安全套”計(jì)劃,将提供10萬美元贊助款給英國曼徹斯特大(dà)學，以研發更薄更堅韌的安全套。
西班牙Graphenano公司同科爾瓦多(duō)大(dà)學合作(zuò)研究出首例石墨烯聚合材料電(diàn)池，其儲電(diàn)量是目前市場(chǎng)最好産品的三倍，用此電(diàn)池提供電(diàn)力的電(diàn)動車(chē)最多(duō)能行(xíng)駛1000公裏，而其充電(diàn)時(shí)間(jiān)不到8分鍾。最重要的是其成本将比锂電(diàn)池低(dī)77%，消費者完全可(kě)承受。
一直以來(lái)，石墨烯都是科研人(rén)員眼中的寵兒。近日，一個(gè)由美韓研究人(rén)員組成的聯合小(xiǎo)組報告稱他們将小(xiǎo)片石墨烯連接到金屬電(diàn)極上(shàng)，懸空(kōng)于基底材料上(shàng)方并加載一定的電(diàn)流使其加熱，制(zhì)成了隻有(yǒu)一層原子的世界最薄電(diàn)燈泡，或将制(zhì)成最薄的顯示器(qì)。
南開(kāi)大(dà)學的一個(gè)聯合科研團隊通(tōng)過3年的研究，獲得(de)一種光照即可(kě)移動的特殊石墨烯材料。據悉，這是迄今為(wèi)止科學界第一次用光推動一個(gè)宏觀物體(tǐ)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(yǒu)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(hé)實現與終端市場(chǎng)應用領域的有(yǒu)效對接。随着科技(jì)的進步,石墨烯制(zhì)備和(hé)應用的産業化浪潮必将在全球範圍內(nèi)展開(kāi)。
