石墨烯：比钢强 200 倍，比纸轻 1,000 倍

石墨是由超薄的纯碳片堆叠而成。

2004 年，曼彻斯特大学的两名科学家进行了一项看似简单的实验，他们把[胶带]粘在石墨或云母上，然后剥掉他。石墨片会脱落胶带上。然后把胶带对折，然后再把它们分开。然后重复这个过程 10 或 20 次。每次，薄片分裂成越来越薄的薄片。最后，你的胶带上只剩下非常薄的薄片，把溶解胶带溶解成溶液。这样就分离出单片石墨，这是一种难以置信的薄碳层，只有一个原子厚。

通过分离单层碳片，Geim 和 Novoselov 发现了一种名为石墨烯的全新材料，现在人们认为这种材料是地球上最强、最轻和最导电的物质。

一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。

2010 年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而分享诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始呼吁如何使用这种非凡的“超级材料”来制造更强大、更持久的电池、更快的微芯片、柔性电路、可植入的生物传感器和更多。十年后，石墨烯尚未兑现其大肆宣传的承诺，但业内人士相信，我们最终将在未来几年内看到使用石墨烯技术的智能手机、电动汽车和传感器。

为什么石墨烯是一种超材料？

• 按强度计算，石墨烯的强度是钢的 200 倍。
• 它比纸轻 1,000 倍。
• 它的透明度为 98%。
• 在室温下，它的导电性比任何其他已知材料都要好。
• 它可以将任何波长的光转换为电流。
• 而且，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四丰富的元素，所以我们不太可能用完

石墨烯从其结构中获得超能力

如果你能放大到足够近，你会看到一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。单个碳原子以类似于铁丝网的六边形图案排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳元素共价键合，这使材料具有令人难以置信的强度。

为什么石墨烯的导电性这么好？同样，由于这些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳都有四个电子，但其中只有三个电子与其相邻的三个碳原子共享。剩下的电子被称为pi 电子，它可以在三维空间中自由移动，这使得它可以几乎没有阻力地在石墨烯片上传输电荷。事实上，在任何已知物质中，石墨烯是室温下导电速度最快的导体。

石墨烯将如何改变技术？

多年来，消费者一直热切期待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度都相对较慢，很快就会流失电量并在一定次数的循环后烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上最高效的电导体，因此在充电或放电时产生的热量要少得多。基于石墨烯的电池有望实现比锂离子电池快 5 倍的充电速度、3 倍的电池寿命和 5 倍的更换周期。

三星和华为子公司正在积极开发用于智能手机和其他设备的石墨烯电池，但最早上市时间是2021 年。至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会大大增加它们的行驶半径——这还需要几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术之上，不会一夜之间改变。

石墨烯的其他用途

生物传感器是一个重大领域。想象一个非常薄且灵活的芯片，它可以注入血液中以监测胰岛素水平或血压等实时健康数据。或者一个石墨烯接口，它来回向大脑发送信号，以检测即将到来的癫痫发作，甚至预防它。薄的、可拉伸的传感器也可以佩戴在皮肤上或编织到衣服的织物中。

2015 年，中国大学物理学教授严峰博士持有石墨烯电极低成本半透明太阳能电池的新发明。

光子学是另一个已经结合石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器可以大大提高对可见和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅会提高相机和望远镜的图像质量，还会提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。用石墨烯聚合物制成的简单水净化过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。

让我们迎接下一个科技大爆发吧。