如果说20世纪是塑料时代，那么21世纪似乎将成为石墨烯时代。石墨烯是一种新近发现的材料，由只有一个原子厚的蜂窝状碳片制成。科学杂志已经用完了对这种奇妙物质的最高级评价:它是迄今为止发现的最轻、最强、最薄、最好的导热和导电材料。如果我们相信炒作的话，它将彻底改变一切，从计算机到汽车轮胎，从太阳能电池到烟雾探测器。这是什么奇怪的新事物?让我们来仔细看看!

像这样的铅笔是一根木杆，里面填充了一根柔软的石墨棒。石墨是一种由碳原子层紧密结合而成，范德华力将原子层连接在一起非常弱。当你用铅笔在纸上拖动时，薄薄的一层石墨就会被剪下来留在后面，形成你能看到的黑线。现在如果你能刮掉一层超薄的石墨，只有一个原子高，你就得到了石墨烯。在任何铅笔标记上都有微小的石墨烯斑点，但因为它们只有一个原子高，你会很好地发现它们!

目录

石墨烯是什么?

石墨烯是什么样的?

我们如何制造石墨烯?

我们如何使用石墨烯?

我们的石墨烯未来?

谁发现了石墨烯?

石墨烯是什么?

在学校里，你可能学过碳有两种基本但惊人不同的形式(或同素异形体)，即石墨(铅笔“铅芯”里柔软的黑色物质)和钻石(珠宝里超硬的闪亮晶体)。令人惊奇的是，这两种截然不同的材料都是由相同的碳原子组成的。那么为什么石墨和钻石不同呢?这两种材料内部的原子以不同的方式排列，这也就赋予了这两种同素异形体完全不同的特性:石墨是黑色的，无光泽的，而且相对较软(软铅笔和硬铅笔混合石墨和其他材料，可以做出较暗或较暗的线条);钻石是透明的，是迄今为止发现的最硬的天然材料。

如果这是你在学校学到的东西，那么你可能在很久以前就完成了你的研究，因为在过去的几年里，科学家们发现了各种各样的碳同素异素，它们有着更有趣的性质。有富勒烯(1985年发现;碳原子的空心笼子，包括所谓的巴克球，巴克敏斯特富勒烯，由一种由60个碳原子组成的足球形状的笼子制成)，纳米管(1991年发现;扁平的碳原子卷成非常薄的空心管，直径只有一纳米)和(鼓形)石墨烯(2004年发现)。

那么石墨烯到底是什么呢?窥视许多我们熟悉的固体材料(包括大多数金属)，你会发现所谓的晶格(固体内部晶体结构的另一个名字):许多原子以一种规则的、不断重复的三维结构排列，有点像原子爬梯框架，只是原子之间没有杆，而是用看不见的化学键将它们连接在一起。钻石和石墨两种三维结构,但它是完全不同的:在钻石,原子在三维四面体紧密结合,而在石墨,原子在二维层结合紧密,召开层上方和下方的力量相对较弱。

1)钻石有一个强大的3D(三维)晶体晶格基于一个重复的四面体(左)。红色的斑点是碳原子，灰色的线是将它们连接在一起的键。(化学键是看不见的，但我们这样画是为了更容易看到它们。)2)石墨的结构要弱得多，它是由紧密结合的六边形层构成的。这些层之间通过范德华力(蓝色虚线——为了清晰起见，只显示了其中的一小部分)微弱地联系在一起。

石墨烯是单层石墨。值得注意的是，它的晶体结构是二维的。换句话说，石墨烯中的原子是平的，就像桌子上的台球。就像石墨一样，每一层石墨烯都是由六边形的碳“环”组成(就像许多苯环连接在一起，只是更多的碳原子取代了边缘的氢原子)，呈现出蜂窝状的外观。因为这些层本身只有一个原子高，所以你需要大约三百万层才能使石墨烯达到1毫米厚!

插图:石墨烯有一个扁平的晶格，由碳原子(红色斑点)紧密结合在一起(黑色线条)的六边形相互连接而成。

人们谈论“石墨烯”就像谈论“塑料”一样，但重要的是要记住，科学家们正在研究许多不同种类的石墨烯基材料(就像有许多不同种类的塑料一样)，所有这些材料都有一点不同，用于不同的用途。在本文中，我遵循了将这种材料称为“石墨烯”的惯例，但也要记住，这种非常新的、快速发展的物质有许多不同的角度和方面——石墨烯一词最终将用于指代非常广泛的不同材料。总有一天，“石墨烯”会像我们现在说的“塑料”一样被普遍接受。

石墨烯是什么样的?

人们一直在发现和发明新的材料，但我们很少听说它们，因为它们往往不是那么有趣。石墨烯于2004年首次被发现，但它的特性(它作为一种材料的行为方式)是非凡而令人兴奋的，这让人们如此兴奋。简而言之，它超级坚固，非常薄，几乎完全透明，非常轻，是电和热的神奇导体。它也有一些非常不寻常的电子特性。

一般性质

石墨烯是一种令人惊讶的纯净物质，这主要归功于其基于紧密、规则的原子键而形成的简单有序的结构。碳是一种非金属，所以你可能认为石墨烯也是一种非金属。事实上，它的行为更像金属(尽管它的导电方式非常不同)，这导致一些科学家将其描述为半金属或半导体(一种介于导体和绝缘体之间的材料，如硅和锗)。即便如此，也要记住石墨烯是非凡的——而且很可能是独一无二的。

强度和刚度

如果你曾经用过软铅笔(比如4B)，你就会知道石墨是非常柔软的。这是因为石墨棒内部的碳层很容易被刮掉。但这些层内的原子是紧密结合的，所以，就像碳纳米管(不像石墨)，石墨烯超级强——甚至比钻石还强!石墨烯被认为是迄今为止发现的最强材料，强度约为钢的200倍。值得注意的是，它既硬又有弹性(就像橡胶一样)，所以你可以把它拉伸到惊人的程度(原来长度的20- 25%)而不会折断。这是因为石墨烯中碳原子的平面可以相对容易地弯曲，而不会使原子分裂。

没有人知道如何利用石墨烯超强的性能，但一种可能是将其与其他材料(如塑料)混合，制造出比我们现有的任何材料都更强、更硬、更薄、更轻的复合材料。想象一下，一辆节能汽车拥有超强、超薄、超轻的用石墨烯加固的塑料车身面板;这就是我们可能想象的在未来出现的一种物体，被这种令人惊叹的材料彻底颠覆!

薄和轻

只有一个原子厚的物体一定很轻。显然，你可以用一块小于一克的石墨烯覆盖一个足球场——尽管几乎没有人真正尝试过!根据我的快速计算，这意味着如果你能用石墨烯覆盖整个美国，你只需要大约1500-2000吨的质量。这听起来可能很多，但它只有大约1500辆汽车，而且它完全覆盖了世界上最大的国家之一!

导热系数

如果超强的强度和轻如羽毛的重量还不够的话，石墨烯比其他任何材料都更能传递热量(它具有很高的导热性)——远比银和铜等辉煌的导热体好，也比石墨和钻石好得多。同样，我们最有可能发现的好处是在复合材料中使用石墨烯，我们可以用它们增加额外的耐热性或导电性到塑料或其他材料。

导电性

这就是石墨烯真正有趣的地方!导热性好的材料也能很好地导电，因为这两个过程都是利用电子传递能量的。石墨烯扁平的六角形晶格对电子的阻力相对较小，电子可以快速轻松地穿过石墨烯，比铜等超导体的导电性能更好，几乎和超导体(超导体需要冷却到低温)一样好。石墨烯卓越的导电性即使在室温下也能发挥作用)。从科学的角度来说，我们可以说石墨烯中的电子比其他材料中的电子有更长的平均自由路径(换句话说，它们可以在不撞到物体或不被打断的情况下走得更远，这是导致电阻的原因)。这有什么用?想象一下，一种强、轻、相对便宜的导电材料，它可以大大减少能量损失:在大范围内，它可以彻底改变发电厂的电力生产和分配;如果规模小得多，它可能会催生出电池寿命更长的便携式电子产品(如手机)。

电子性质

纳米技术的进步，包括石墨烯的开发，将推动更快、更小、更便宜的计算机。

导电性就是用一种相对粗糙的方式把电从一个地方“运送”到另一个地方;更有趣的是操纵带电的电子流，这就是电子学的全部。正如你可能从它的其他惊人的能力中所期望的那样，石墨烯的电子特性也非常不同寻常。首先，电子的速度更快，移动性也更强，这使得计算机芯片比我们今天使用的芯片工作速度更快(耗电量更少)成为可能。第二,电子穿过石墨烯有点像光子(光的波粒子),速度接近光速(大约100万米每秒,事实上),他们的行为根据相对论和量子力学的理论,在简单的确定性取而代之的是令人费解的概率。这意味着简单的碳块(换句话说，就是石墨烯)可以在桌面上测试这些理论的各个方面，而不是使用昂贵的粒子加速器或巨大的、功能强大的太空望远镜。

光学性质

一般来说，物体越薄，越有可能是透明的(或半透明的)，这很容易理解:因为需要战斗的原子更少，光子穿透薄物体的可能性比穿透厚物体的可能性更大。(然而，这并不是整个故事。你能透过厚厚的玻璃却不能透过很薄的金属的原因要比这复杂得多。如你所料，超薄石墨烯只有一个原子厚，几乎是完全透明的;事实上，石墨烯的透光率约为97% - 98%(相比之下，普通单层玻璃窗的透光率约为80% - 90%)。记住石墨烯也是一个了不起的导体,你可以开始理解为什么那些使太阳能电池板,液晶显示器,触摸屏变得非常兴奋:材料比结合惊人的透明度,精湛的导电性和高强度这样的应用程序是一个完美的起点。

不渗透性

石墨烯薄片上的碳原子紧密地交织在一起，它们可以像超细的原子网一样工作，阻止其他材料通过。这意味着石墨烯在捕获和检测气体方面很有用，但它也可能在保存传统容器中相对容易泄漏的气体(如氢气)方面有很好的应用前景。(电动汽车)使用氢作为燃料的一个缺点是难以安全储存。石墨烯可能有助于使以氢为动力的燃料电池汽车成为一个更可行的前景。

另一方面，如果你在石墨烯上添加小洞使其具有多孔性，你就会得到一种叫做多孔石墨烯的网状材料，它可以像电子半导体或非常精细的物理筛子一样工作。这项技术还很新，已经开始在新形式的能源储存(如超级电容器)和滤水器上找到令人兴奋的应用，这些技术可以帮助我们把海水变成安全、清洁的饮用水，从而减轻地球上的压力。

普通石墨烯(左)和多孔石墨烯(右)，具有各种改进的性能。

我们如何制造石墨烯?

气相沉积被用来在另一个表面(被称为衬底)上创建一层石墨烯。

拿一支铅笔和一些胶带。把胶带粘在石墨上，剥开，你就会得到一层由多层碳原子组成的石墨。仔细地重复这个过程，一遍又一遍，你将(有希望)得到非常薄的碳，它只包含一层原子。这是你的石墨烯!这种相当粗糙的方法被称为机械剥离法。另一种方法是在一个超精密的原子力显微镜上装载一块石墨，然后非常精确地将其摩擦在某种东西上，使单层石墨烯脱落，有点像石墨从铅笔上一次只脱落一层。像这样的技术是精细和复杂的，这解释了为什么石墨烯是目前地球上最昂贵的材料!

气相沉积仪

这些方法可以在实验室中制造微小的石墨烯测试样本，但我们无法将这种石墨烯制造到可能需要的工业规模。那么如何制造大量的石墨烯呢?一种方法是将甲烷等有机(碳基)气体放入一个底部有一块铜之类的东西的密闭容器中，然后调节温度和压力，直到在其上形成一层石墨烯。由于石墨烯是通过从气体(蒸汽)中沉积化学物质层而形成的，因此这种方法被称为化学气相沉积(CVD)。另一种方法是从富含碳的固体(如糖)开始生长石墨烯晶体。最近，科学家们一直在试验另一种很有前途的技术，即“焦耳闪光加热”，将或多或少的任何含碳材料转化为石墨烯。虽然还没有准备好，但它可能被证明是未来生产石墨烯的重要方法。

我们如何使用石墨烯?

我们至少可以用三种不同的方式来回答这个问题。首先,因为石墨烯具有很多优良性能,因为所有这些属性可能不需要相同的材料(为同一应用程序),可以开始讨论不同类型的石墨烯(甚至不同的石墨烯)正在以不同的方式或被优化用于特定目的。因此，我们可能会看到一些石墨烯被开发用于结构用途(在复合材料中)，一些被优化以最大限度地利用其非凡的电子携带性能(用于电子元件)，另一些我们将最大限度地利用其低电阻率(用于节能电力系统)，还有一些地方，出色的透明度和导电性是重要的(在太阳能电池和计算机显示器中)。

如果石墨烯取代我们目前使用的硅，这样的计算机存储芯片可能会变得更小、更快。

其次，我们可以看到石墨烯作为现有材料的令人兴奋的替代品，这些材料已经被推到了物理极限。例如，硅晶体管(在计算机中用作存储和“决策”逻辑门的开关设备)，在过去几十年里一直在变得更小、更强大，这一趋势被称为摩尔定律，但长期以来，计算机科学家一直担心，随着我们接近物理定律施加的基本限制，同样的进步速度不会继续下去。一些科学家已经在设想更小更快的晶体管，用石墨烯取代硅，使计算机设备更接近物理学的绝对极限。理论上，我们可以用石墨烯制造弹道晶体管，通过操纵单个电子来存储信息或在超高速下开关。同样，石墨烯也能彻底改变其他受传统材料限制的技术领域。例如，它可以制造出更轻、更坚固的飞机(通过取代复合材料或金属合金)、具有成本竞争力和更高效的太阳能电池板(再次取代硅)、更节能的电力传输设备(取代超导体)、超级电容器的极板更薄，可以在几秒钟内充电，并且可以在更小的空间储存更多的能量(完全取代普通的化学电池)。三星(Samsung)、诺基亚(Nokia)和IBM等公司已经在开发基于石墨烯的触摸屏、晶体管和闪存的替代品，尽管这项工作还处于非常早期的阶段。

第三，也是最令人兴奋的是，我们有可能开发出各种全新的、目前难以想象的技术，利用石墨烯惊人的特性。在20世纪，塑料并没有简单地取代金属和木材等旧材料:无论如何，它们彻底改变了我们的文化，使一次性和方便取代了耐用性。如果石墨烯能让我们研制出超轻、超薄、坚固、透明、光学和导电的材料，谁知道前方会出现什么可能性呢。用石墨烯制成的超轻衣服，连接到电池上，轻按开关就会变色，怎么样?或者是为灾区建造的应急房屋，石墨烯墙又强又轻，你可以把它折叠起来放在背包里携带?

石墨烯的未来?

石墨烯是否将主宰世界?也许也许不是。重要的是不要被炒作冲昏头脑:到目前为止，大多数关于石墨烯的令人兴奋的工作都是在非常小的范围内在化学和物理实验室中完成的。大多数研究仍然是我们所说的“蓝天”:它可能需要很多年甚至几十年才能被实际开发，更不用说成本效益了。同样，石墨烯的基础科学研究还处于早期阶段。暂且不提这些惊人的应用，毫无疑问，还有更多令人兴奋的科学即将出现。例如，我们还不知道石墨烯是否是唯一具有二维晶体晶格的材料，或者类似但更特殊的材料正在等待被发现。我们知道的一件事是，这是一个非常激动人心的材料科学时代!

谁发现了石墨烯?

1991年碳纳米管的发现促使研究人员在2004年生产出第一个石墨烯样本

几十年来，科学家们一直在研究石墨烯。早在1947年，加拿大物理学家菲利普·华莱士(Philip Wallace)写了一篇关于石墨电子行为的开创性论文，引发了人们对该领域的极大兴趣。早在1960年，诺贝尔奖获得者、化学家莱纳斯·鲍林就在猜测碳原子的单层会有多平坦。1962年，德国化学家hans - peter Boehm在他的电子显微镜下发现了这种材料，并将其命名为“石墨烯”。

对石墨烯的理论研究持续了40年，在20世纪80年代和90年代，富勒烯(实际上是石墨烯卷曲成球状)和碳纳米管(石墨烯折叠成管道)的发现推动了对石墨烯的理论研究。即便如此，在实践中也没有人能真正制造出这种东西;2004年，在英国曼彻斯特大学工作的俄罗斯出生的科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)才在实验室中生产出了石墨烯。他们制造石墨烯的方法是:用胶带将石墨薄片拉下来，然后折叠胶带并将其拉开，将石墨切割成更小的层。最终，经过大量的工作，他们惊奇地发现有些石墨只有一个原子厚——换句话说，就是石墨烯。

四年后，曼彻斯特大学的研究小组成功地制造出只有一个原子厚、十个原子宽的石墨烯晶体管。同年，美国莱斯大学的工人们建造了第一个基于石墨烯的闪存。由于认识到他们工作的巨大重要性，海姆和诺沃肖洛夫被授予2010年诺贝尔物理学奖。