石墨烯材料性质奇特 应用前景无限

日前有消息称，美国科学家研发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，能在数秒内为手机甚至汽车充电；国内某上市公司也正在申请石墨烯电池专利。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。仅仅6年之后，两人便因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

一个成果从完成到获诺奖，仅仅间隔6年时间，绝对十分罕见。这也从一个侧面说明了这个工作的受关注程度。

的确，石墨烯出现以来，科学家们很快就发现了这种材料拥有的各种各样神奇性质，各方面对它的研发投入了极大兴趣。有科学家甚至预言，石墨烯将"彻底改变21世纪"。

只有一层碳原子厚

"二维结构"从想象变成现实

我们所有人对"石墨"都不陌生， 因为铅笔的笔芯就是由它和粘土混合而成的。

石墨是由碳元素组成的。在电子显微镜下，可以发现石墨的结构是层状的，每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边形网格，而层与层之间的距离则比较大，层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹，正是这种松散堆砌的结果。

很早以前就有人想到，如果将石墨一层层剥离，最后能不能得到只由单层原子组成的"二维"石墨片？1987年，有人正式给这种理想中的"二维"石墨片取了个名字，就叫石墨烯。

这几乎是只能在教科书的物理作业中出现的"理想状态"。直到21世纪初，人们所达到的最好业绩——即最薄的石墨片——也只到几十层原子的水平。

更糟糕的是，早在20世纪30年代，著名俄国物理学家朗道等人就已证明，二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构。实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也在佐证着这一结论，比如石墨层越薄，就越容易卷曲成球状或柱状，而无法维持平面结构。因此，制备石墨烯曾被很多人认为是注定无法成功的事情。

而海姆和诺沃肖洛夫团队偶然发现了一种十分简单的方法：他们用透明胶带粘住石墨层的两个面，然后撕开，使之分为两片。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

听上去轻而易举，但其中真正实现还是要克服很多困难，是外行人难以理解的。海姆实验组制备石墨烯前后持续了一年多时间，而制备出的石墨烯只有几平方微米，要用高倍显微镜才能观测到。

从狭义上来说，石墨烯指单层的石墨；从广义上来说，层数小于10层的石墨都可称为石墨烯。近年来，被它的诱人应用前景所吸引，各方面投入了很大人力物力，研发大规模工业制备石墨烯的方法，目前已经开辟了多种途径，大致可分为物理方法和化学方法两类，也获得了很多重要突破，然而这仍然是十分困难的工作，从石墨烯的市场价格也可见一斑：如此便宜随处可见的石墨，制成石墨烯后，价格就十倍于黄金。

力学强度最大 电子传输最快

神奇特性可颠覆日常经验

原本似乎只能在想像中存在的"二维"石墨烯，一旦真的被制取出来以后，它的种种神奇性质，足可以颠覆我们过去的很多日常经验。

从力学性质上说，石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。科学家已经证实了石墨烯是目前世界上已知的强度最高的材料，比钻石还坚硬，是世界上最好的钢铁强度的100多倍。瑞典皇家科学院在颁发2010年诺贝尔物理学奖时曾这样比喻："利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4千克的兔子"。有人这样引申说，由于石墨烯厚度只有单层原子，透光率高达97.7%，因此如果真有那样的吊床，它不仅对于肉眼，甚至对于很多仪器来说都是不可见的，我们看到的将是一只悬停在半空中的兔子。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。

从热电性质上来说，在石墨烯的"二维世界"里，电子运动具有很奇特的性质，即电子的质量仿佛是不存在的，其传导速度可达光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。加上石墨烯结构在常温下的高度完美性，使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速，这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。而且更重要的是，石墨烯还可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。很多人相信，石墨烯将会成为硅的接班人，引领技术领域一个新的微缩时代的来临。

石墨烯除了具有超高的强度和韧性外，还有不透水、不透气以及抵御强酸、强碱的能