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，但实验可能会改变世界。

研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫正在玩弄石墨，这是你铅笔尖里的东西。

石墨是由超薄的纯碳片相互堆叠而成。

海姆和诺沃肖洛夫想看看他们是否可以分离出单片石墨，这是一层不可思议的薄碳层，只有一个原子厚。

于是，他们抓起一卷胶带。

是的，塑料涂抹器中的透明胶带与您放在垃圾抽屉中的透明胶带相同。

正如英国广播公司报道的那样，海姆是这样描述他的技术的。

“你把[胶带]放在石墨或云母上，然后剥掉顶层。

有石墨片从你的胶带上脱落。

然后你把胶带对折，粘在上面的薄片上，然后再分开。

而且你重复这个过程 10 到 20 次。

每次，薄片都会分裂成越来越薄的薄片。

最后，你的胶带上会留下非常薄的薄片。

你溶解了胶带，一切都变成了溶液。

胶带方法奏效了！通过分离单层碳，海姆和诺沃肖洛夫因发现了一种名为石墨烯的全新材料而受到赞誉，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。

2010 年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而分享了诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始争相使用这种非凡的“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？

仅测量一个原子厚，一张石墨烯就可以检查超材料的所有盒子：

• 石墨烯的重量是钢的 200 倍。
• 它比纸轻 1000 倍。
• 它是 98% 透明的。
• 在室温下，它的导电性能比任何其他已知材料都要好。
• 它可以将任何波长的光转换成电流。
• 最后但同样重要的是，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

石墨烯的超能力来自其结构。

如果你可以放大到足够近，你会看到一块石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。

单个碳原子排列成六边形，类似于铁丝网。

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。

为什么石墨烯导电这么好？同样，由于这些碳原子的键合方式。每个碳原子在其外壳中有四个电子，但其中只有三个电子与其相邻的三个碳原子共享。

剩余的电子称为π 电子，可以在三维空间中自由移动，这使得它可以在几乎没有电阻的情况下在石墨烯片上传输电荷。

事实上，在室温下，石墨烯是任何已知物质中最快的导电体。

在三个小瓶中检查石墨烯的进展。左边的小瓶是石墨，中间的是膨胀的石墨，右边的是石墨烯。

“魔角”

麻省理工学院 (MIT) 的一个团队正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——当他们偶然发现石墨烯的一种新的、近乎神奇的特性时。

当这些层彼此稍微偏离直线时——恰好有 1.1 度的位移——石墨烯变成了超导体。

超导体是最稀有的一类导电材料，绝对没有电阻和零热量。

石墨烯“魔角”的发现在科学界引发了冲击波。

尽管该实验是在极低的温度（接近 0 开尔文或负 459.67 F）下进行的，但它开辟了通过将 石墨烯与其他超导元素相结合的可能性，我们比以往任何时候都更接近室温超导性。

这样的成就将从根本上提高从小工具到汽车再到整个电网的一切能源效率。

石墨烯如何改变技术？

纳米技术教授兼剑桥石墨烯中心主任 Andrea Ferrari 说，超导性还有几十年的时间，但革命性的基于石墨烯的产品即将面市。

“到 2024 年，市场上将会有各种各样的石墨烯产品，”法拉利说，“包括电池、光子学、夜视摄像头等等。”

多年来，消费者一直热切期待石墨烯电池。

我们所有小工具中的锂离子电池充电速度相对较慢，电量很快流失，并且在一定次数的循环后会烧毁。

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导电体，它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比锂离子电池快五倍，电池寿命延长三倍，并且在需要更换之前的循环次数是五倍。

三星和虎威等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他小工具的石墨烯电池，但最早将在2021 年上市。

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——还有几年的时间。

整个行业都建立在锂离子技术之上，不会在一夜之间改变。

“电池行业非常保守，” Graphanea的首席执行官 Jesus de la Fuente 说，该公司为学术研究人员和研发部门制造和销售纯石墨烯和基于石墨烯的芯片。

“它可能每五到十年改变几次电池的成分，这使得该行业很难推出新产品。”

市场上有一些基于石墨烯的电池，包括来自一家名为 Real Graphene 的公司的一些有线和无线充电器，但这些只是冰山一角，同时也是Graphene Flagship的科技官的法拉利说, 欧盟 10 亿欧元的合作，旨在加速石墨烯技术的发展。

Flagship 的研究合作伙伴已经在制造石墨烯电池，其性能比当今最好的高能电池高出 20% 的容量和 15% 的能量。

其他团队已经建造了基于石墨烯的太阳能电池，将阳光转化为电能的效率提高了 20%。

石墨烯的其他用途

虽然石墨烯电池可能是第一个上市的，但研究人员正忙于为这种神奇材料开发无数其他应用。

生物传感器很重要。

想象一下一个非常薄且灵活的芯片，它可以注入血液中以监测实时健康数据，如胰岛素水平或血压。

或者是一个石墨烯接口，它可以向大脑来回发送信号，以检测即将发生的癫痫发作，甚至预防癫痫发作。薄的、可拉 伸的传感器也可以佩戴在皮肤上或织入衣服的织物中。

光子学是另一个已经采用石墨烯的领域。

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。

这不仅会改善相机和望远镜的图像质量，还会改善医学图像。

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净水过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。

石墨烯旗舰公司的研究人员还开发了基于石墨烯二极管的海水淡化技术，可以去除海水中 60% 以上的盐分，用于农业和其他用途。

所有这些发展都需要时间，但剑桥石墨烯中心的法拉利相信石墨烯将不负众望。

事实上，他同样对估计有 2,000 种其他单层材料的尚未发现的特性感到兴奋，这些材料也被隔离、胶带法或其他方法。

“我们说的是石墨烯，但我们实际上是在谈论正在探索的大量选择，”法拉利说。“事情正在朝着正确的方向发展。”