三星电子公司展示新一代石墨烯制成的晶体管的结构。

王伟国

新闻背景

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。受这些消息影响，石墨烯概念股近日表现活跃。

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97.75，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、强碱的能力，这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。而石墨烯既能导电又高度透明的特点，则使它有可能在制作液晶显示屏、触摸显示屏、太阳能电池板等领域大显身手。

延伸阅读

应用几乎有无限可能

由于石墨烯材料本身的神奇性质，使它的应用几乎具有无限可能，下面我们来介绍几种人们最多谈到的具体思路。

几万公里的太空电梯缆线

石墨烯堪称人类已知的强度最高的物质，它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇大门。

这种早在1895年就由火箭理论的先驱者、俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出过的迷人设想，一直面临着一个致命问题，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达几万公里并且足够强韧的缆线，来承载“太空电梯”的上下往复。美国科学家表示，石墨烯的出现，完全有能力承担这一艰巨任务。

一秒钟内下载一部高清电影

2011年6月，一篇有关石墨烯应用的研究论文在英国《自然》杂志上发表。美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。

据称，每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度将比现在快1万倍。

一分钟给手机、汽车充电

美国研究人员近日公布了他们研制的一种新型电池，这种电池能在一分钟内给手机，甚至是汽车充满电。这种名叫微型石墨烯超级电容器的装置的充电或者是放电速度比常规电池快100倍到1000倍。研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。

研究人员表示，对于超级电容器来说，它再“快”也不过是数量上的升级，“小”才是其最大价值。一直以来，电子产品的微型化、小型化，常常会遭遇储能系统方面的阻碍。过大的电池体积，拖累了整个产品的灵活小巧。而新型超级电容器不但拥有较小的体积，且可以轻易整合到其他配件当中。