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" title="石墨烯" target="_blank">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
石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(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)。
石墨烯
實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
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)交給了一位新來的中國博士生，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。蓋姆生氣地問他能不能磨得更薄?博士生說：“那你就自己試試吧?！?/p>
石墨烯
蓋姆只得自己做了，不過他采用了一種非?！巴痢钡姆椒?。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，把膠帶對折后粘一下再拉開，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。
石墨烯
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)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。
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)可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，例如電子無視障礙、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)?！?br/>
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?，電子的運(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)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。