石墨烯：异军突起的新材料

王瑞良

石墨烯：异军突起的新材料

王瑞良

显微镜下的石墨烯结构示意图

石墨烯，现在可能你还相当陌生，不过，相信看完本文，你会记住它。

超轻材料石墨烯

最薄的材料——石墨烯

天然石墨是由一层层按蜂窝状有序排列的碳原子堆叠而成的，层与层间作用力较弱，所以很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。石墨片一层层被剥离到只有一个碳原子厚度的单层后，就是石墨烯。它是目前世界上已知的最薄、最硬的材料，其厚度只有0.335纳米，若是把20万片石墨烯薄膜叠加到一起，厚度也只有一根头发丝那么细。

很长时间，石墨烯被认为是一种假设性结构，无法单独稳定存在。直到2004年，英国物理学家安德利·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中分离制备出石墨烯，才证实了它可以单独存在。这次发现意义非凡，但采用的方法很简单——利用特殊胶带 住定向热解石墨（经高温处理的新型石墨），通过撕拉将石墨薄片一分为二，再继续不断重复这个过程，使石墨片越来越薄，最终得到石墨烯。

两位科学家因为以开创性试验方法制备出石墨烯，荣获2010年诺贝尔物理学奖。

康斯坦丁后来介绍，他们在周五晚上有个小习惯，就是利用这段时间尝试以各种疯狂、简单的实验方法解决问题，“胶带撕开石墨”这个异想天开的想法就因此而诞生。看来，科学研究不一定只能靠昂贵、精密的仪器哦！

石墨烯有什么特性？

石墨烯的出现引发了研究热潮。经过10多年的竞相研发，人们对它有了更加深刻的了解——石墨烯真是一种了不起的新材料。

石墨烯传感器可用于研究人类大脑

我们可以随便列出几个特性：电子在石墨烯中的运动速度极快，因此石墨烯是世界上电阻率最小、导电性最佳的物质；它比钻石还坚硬；它的透光性、导热性、柔韧性也非常好，比如透光率达到97.4%，几乎是完全透明的；它具有高传导性、高比表面积等。

所以，如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元。

石墨烯有什么用途？

特性多多的石墨烯可以在电子、通信、能源、生物医学和航天、军工等诸多领域大显身手。

我们都希望电子产品更小、网速更快，那就请石墨烯来吧。石墨烯有望替代硅成为芯片的基础材料，用来制造超微型晶体管和集成电路，这种电路更小、更快、更便宜，但用它生产的电脑运算速率超强，而且体积大幅度缩小——机器人大小如蚂蚁甚至微尘。相当于头发1/400细的光学调制器有望提高网速一万倍，一秒钟下载一部高清电影指日可待。

可折叠的石墨烯显示器

电子产品的触摸屏很贵很娇气，怕磕怕碰还不稳定，好吧，请石墨烯来吧。它几乎完全透明，稳定、坚固又廉价，而且它很柔韧，可以拉伸、折叠的显示器就靠它了！

骑过电动车吗，充一次电是不是很辛苦，又骑不了多远？石墨烯怎么样呢？它很棒啊！石墨烯的功率密度比锂电池高许多。据估算，石墨烯阳极材料充放电速度，如果用于电动汽车，只需8分钟就能完成一次充电，续航里程可达1 000千米。

石墨烯超级传感器的应用

大肠杆菌会引起很多疾病，但服用抗生素容易产生抗药性，怎么办？医学研究发现，石墨烯的结构会与大肠杆菌上的磷胎分子产生交互作用，在拉扯下会使大肠杆菌破裂，无法生存。这种物理性杀菌方式不易产生抗药性，因此可用于制作止血绷带、抗菌服装、食品和药品等的包装材料。

全球首批石墨烯量产手机在重庆发布

石墨烯是优良热导体，可以制成节能降耗、保温隔热的功能材料，如保温服、取暖器、散热地板等。同时，石墨烯也能制造有效控制环境噪声的隔音材料。

国内首条石墨烯生产线在江苏常州投产

此外，石墨烯超轻、超强、超坚韧，是研发轻型飞机、航天器和高性能防弹衣的好材料。

你可能很关心，我国有石墨烯产品吗？有！2014年5月，全球首款石墨烯电容触摸屏手机在江苏常州研制成功。之后，全球首批量产石墨烯手机在重庆发布。此外，我国在石墨烯粉体、液态、薄膜以及动力电池、超级电容器等产品的研发方面，也取得不同程度的进展。

当然，全球石墨烯的研制总体上尚处在研发和概念机阶段，但前景值得我们期待。

现在，你记住“石墨烯”了吗？