手機(jī)充電只需幾秒鐘?史上最薄電燈泡?光驅(qū)動(dòng)飛行器?關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，似乎石墨烯已經(jīng)成為了無(wú)所不能的超級(jí)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(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)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(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，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(dāng)時(shí)蓋姆把一大塊兒高定向熱解石墨和一臺(tái)高級(jí)拋光機(jī)交給了一位新來(lái)的中國(guó)博士生，希望他做出盡可能薄的膜。三個(gè)星期后博士生給了蓋姆一個(gè)10微米厚的培養(yǎng)皿。蓋姆生氣地問(wèn)他能不能磨得更薄?博士生說(shuō)：“那你就自己試試吧。”
蓋姆只得自己做了，不過(guò)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(huì)有石墨層被粘在膠帶上，把膠帶對(duì)折后粘一下再拉開(kāi)，兩端就都沾有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)多次，終于薄到只有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨烯就制成了。
在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。
在隨后三年內(nèi)， 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(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。
石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)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(yīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，例如電子無(wú)視障礙、實(shí)現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的物理性質(zhì)。
作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)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(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)。”
石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)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(zhì)(莫氏硬度只有1~2級(jí))，“切”成一個(gè)碳原子厚度的薄片時(shí)，“性格”會(huì)發(fā)生如此之大的變化，石墨烯的硬度比莫氏硬度10級(jí)的金剛石還要高，但卻又有很好的韌性，可以彎曲。
因?yàn)橹挥幸粚釉樱娮拥倪\(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。
石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)相關(guān)專家分析，用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)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(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。
石墨烯具有很強(qiáng)的化學(xué)敏感性，可以制成高效探測(cè)器等。涂有石墨烯的傳感器可以檢測(cè)到含有用于炸藥、氨等化學(xué)物質(zhì)的低濃度的蒸汽。
石墨烯的這些特性注定要給諸多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)翻天覆地的變化。但是我們普通人最關(guān)心的還是石墨烯可能會(huì)給我們的生活帶來(lái)什么樣的便捷。雖然現(xiàn)在仍有制備上的困難和成本限制等問(wèn)題，但已經(jīng)有一些優(yōu)秀研究成果問(wèn)世，展現(xiàn)了極佳的研發(fā)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(dǎo)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(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。
中國(guó)的科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯的紙上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類細(xì)胞則不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)可以利用它來(lái)做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。
針對(duì)將石墨烯的強(qiáng)度和韌性， 微軟創(chuàng)始人比爾蓋茨的“比爾和梅琳達(dá)蓋茨基金會(huì)”早前制定出“新世代安全套”計(jì)劃，將提供10萬(wàn)美元贊助款給英國(guó)曼徹斯特大學(xué)，以研發(fā)更薄更堅(jiān)韌的安全套。
西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。最重要的是其成本將比鋰電池低77%，消費(fèi)者完全可承受。
一直以來(lái)，石墨烯都是科研人員眼中的寵兒。近日，一個(gè)由美韓研究人員組成的聯(lián)合小組報(bào)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?qū)⒅瞥勺畋〉娘@示器。
南開(kāi)大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)3年的研究，獲得一種光照即可移動(dòng)的特殊石墨烯材料。據(jù)悉，這是迄今為止科學(xué)界第一次用光推動(dòng)一個(gè)宏觀物體并實(shí)現(xiàn)的宏觀驅(qū)動(dòng)。介紹這一成果的論文一經(jīng)發(fā)表就迅速引起了國(guó)際科學(xué)界關(guān)注。
像石墨烯這種具有革命性的新材料的發(fā)展，需要長(zhǎng)期的資本投入，以創(chuàng)建完整的價(jià)值鏈和實(shí)現(xiàn)與終端市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的有效對(duì)接。隨著科技的進(jìn)步，石墨烯制備和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化浪潮必將在全球范圍內(nèi)展開(kāi)。