改变世界的神奇材料

胡紫霞

天气越来越冷，爸爸妈妈商量买一张石墨烯发热地毯铺在客厅。铭铭十分好奇：“石墨烯？这是一种什么材料呢？”

爸爸：石墨烯不是一种天然存在的材料，它是由英国曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年发明的。他们因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖呢！

安德烈：不论是柔软易碎的石墨，还是坚硬无比的钻石，它们的本质都是碳元素的同素异形体。因为碳原子的排列组合方式不同，使得它们的形态和特点大相径庭。你小时候写字用的铅笔，书写润滑，笔芯却容易断裂，这就是因为石墨是片层状的石墨片组成的，虽然每一层都很坚固，但一施加外力就容易分层断裂。既然如此，我们就有了一个大胆的想法，能不能分离出石墨中坚固、稳定的单层碳原子呢？由于石墨片层与层之间作用力较弱，当石墨被剥离至单层，仅有一个碳原子的厚度時，这层石墨片就是石墨烯。

康斯坦丁：2004年，我们俩领导的研究小组将石墨片黏在两片特殊的胶带之间，撕开胶带，石墨片就被一分为二。如此反复操作，最终得到了仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯。它是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料，看上去近似一张六边形网格构成的平面。

安德烈：我们发现，它的厚度仅有0.35纳米，是人类头发丝直径的20万分之一。一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛而成。石墨烯的发现及其独特性质令世人惊叹，更有人称之为“改变21世纪的新型材料”。

铭铭：石墨烯的性质到底特别在哪里？为什么会被科学界如此看重呢？

康斯坦丁：石墨烯具有完美的二维平面结构。它蕴含的丰富而新奇的物理特性的奥秘就来源于此。首先，它强度高，是人类已知强度最高的物质，强度通常为世界上最好钢铁的数十倍。石墨烯拥有完美的对称正六边形结构，非常稳定。其次，它各个碳原子之间的连接很牢固，即使受到外力冲击，也可以通过弯曲变形来维持稳定，柔韧度很好。

爸爸：这不禁让人联想到弯曲的屏幕、防弹衣、军事武器的外部材料，甚至是我们手里提的袋子。来自美国哥伦比亚大学的一项研究表明，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

安德烈：最令科学界瞩目的，是它超强的导电性和导热性。石墨烯是世界上已知的电阻率最小的材料。电子在石墨烯中运动几乎没有阻力，迁移速度极快。因为这一特点，石墨烯被期待用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。人们期待石墨烯可以成为制作芯片的候选材料。这样不仅能提高计算机性能，也不用担心散热问题。其导热系数高达5300W/mK，远优于碳纳米管和金刚石。石墨烯在未来电子器件上具有诱人的应用前景，成为国际上的研究热点和竞争焦点。

康斯坦丁：此外，石墨烯还具有优异的透光性。它只吸收大约2.3%的光，透光率在97%以上，看起来几近透明。透明、良好的导电特性，使它极适合于制造透明可触控屏幕、光板，甚至是用于制造太阳能电池。

爸爸：或许在未来还可以应用在投影领域，比如智能眼镜、智能显示屏等。

安德烈：石墨烯还有个特点，就是表面积大，每克石墨烯的总面积可以达到2600多平方米，再加上规范的多孔结构、高电导率和热稳定性，使其成为最有潜力的电极材料。尤其是在能源领域，若将石墨烯添加在锂电池中，可以大大提升锂电池的储电量和导电性能。2014年，西班牙的一家公司就研发了首款石墨烯聚合材料电池，能够供电动车行驶1000千米 ，而充电时间仅要8分钟。

康斯坦丁：石墨烯“出道”时间虽短，但由于其具备高强度、高导电性、极轻薄等优势，使产业界迅速嗅到了其在电子、航天、军工、生物、新能源、半导体等领域可能的应用潜力，有望引发现代电子科技新革命。

安德烈：但是从实验室到市场应用仍有很远的路要走。目前制造出来的石墨烯产品大多并不是完整的单层结构，而是复合后的多层结构。这会让石墨烯的优势大打折扣。因此，寻求如何制造出高质量的石墨烯材料、如何优化制备工艺、如何降低生产成本以及发掘石墨烯应用的更多可能，是科研人员不断努力的方向。这将为石墨烯真正走上产业化道路奠定坚实的基础。

铭铭：好期待啊！