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(wú)所不能的超級(jí)材料。石墨烯究竟是什么，到底有什么特性讓它備受推崇？

　　1.傳說(shuō)中的石墨烯到底是什么？

　　石墨烯與石墨之間有特殊的親緣關(guān)系。石墨這種材料大家可能都比較熟悉，比如說(shuō)鉛筆芯、干電池內(nèi)部的電極等，其主要成分就是石墨。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，石墨是一種層狀材料，由一層一層的碳原子堆疊而成。對(duì)于每一層而言，其中的碳原子之間以牢固的共價(jià)鍵相結(jié)合，非常穩(wěn)定。而層與層之間則是以一種比較微弱的作用力相互結(jié)合的，從而使得層與層之間比較容易脫離開(kāi)。因此，厚的石墨是可以很容易地解離成薄的石墨片的。那么，石墨的這種結(jié)構(gòu)就可以形象地類比成一本書，書中的每頁(yè)紙就類比成一層碳原子。而我們要講的石墨烯就是石墨這本“書”之中的一頁(yè)“紙”。

　　那么這頁(yè)“紙”有何奇特之處，使之得到諾貝爾獎(jiǎng)的青睞呢？最關(guān)鍵就在于石墨烯這頁(yè)“紙”特殊的結(jié)構(gòu)。首先，石墨烯只有一個(gè)原子層的厚度，是人類制備出的第一種真正意義上的二維材料，顛覆了傳統(tǒng)理論中“自然界中根本不可能找到穩(wěn)定存在的二維晶體材料”這一結(jié)論。第二，石墨烯中的碳原子是以六角蜂窩的形狀按規(guī)則排列的（如圖一），這種排列方式導(dǎo)致石墨烯擁有非常特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)，從而使其蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象與性質(zhì)。在凝聚態(tài)領(lǐng)域中，材料的電子特性大都用薛定諤方程就可以充分描述。但是石墨烯是個(gè)例外，石墨烯中的電子輸運(yùn)遵循的是狄拉克方程，其中的載流子是無(wú)質(zhì)量，是類似于相對(duì)論性質(zhì)的粒子，其有效速度接近于光速。這種材料的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為凝聚態(tài)物理中開(kāi)辟了一塊全新的領(lǐng)域。

　　2.“萬(wàn)能材料”石墨烯，萬(wàn)能在哪？

　　從材料科學(xué)的層面講，石墨烯具有許多特殊而優(yōu)異的性質(zhì)，從而具有廣泛的應(yīng)用前景。在此試舉幾例：

　　（1）石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率，遷移率是傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對(duì)于微電子器件來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)極其關(guān)鍵的參數(shù)，若是遷移率過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱嚴(yán)重、響應(yīng)頻率低下等后果。因此，由于遷移率高、導(dǎo)熱好，石墨烯被認(rèn)為是一種理想的電子器件材料。

　　（2）在航天科學(xué)領(lǐng)域中，石墨烯可以被當(dāng)做保護(hù)層覆蓋在一些元件的表面，用來(lái)降低因宇宙射線激發(fā)的二次電子。

　　（3）石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯熔點(diǎn)高達(dá)3652攝氏度，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境，具有極好的穩(wěn)定性。

　　（4）石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂。已經(jīng)有科學(xué)家指出，擁有如此強(qiáng)度的材料，有可能成為未來(lái)“太空電梯”的首選材料。

　　（5）帶有納米級(jí)的空洞石墨烯，可以用于海水淡化。在生物學(xué)研究中，讓DNA長(zhǎng)鏈一次經(jīng)過(guò)石墨烯納米孔，可以進(jìn)行DNA測(cè)序。

　　3.我們?cè)谌粘Ｉ钪心芙佑|到這種材料嗎？

　　通過(guò)上文的描述，我們可以知道，石墨烯可以通過(guò)減薄石墨來(lái)獲得。而石墨是自然界中分布十分廣泛的材料，在我們?nèi)粘Ｉ钪惺墙?jīng)常可以接觸到的。最普遍的一個(gè)例子就是鉛筆，當(dāng)你用鉛筆寫字的時(shí)候，在紙上留下淡淡的石墨痕跡，實(shí)際上這個(gè)時(shí)候你就在制造石墨烯。

　　4.石墨烯有助于研制超級(jí)電池、高級(jí)計(jì)算機(jī)和太空電梯？

　　關(guān)于超級(jí)電池：石墨烯有很高的比表面積，這是它能夠應(yīng)用于超級(jí)電容器最關(guān)鍵的原因。所謂比表面積，就是單位質(zhì)量的材料所擁有的表面積。也就是說(shuō)材料分得越細(xì)小，比表面積越大。石墨烯因?yàn)橹挥幸粋€(gè)原子層厚度，材料中所有的原子幾乎都露出一半來(lái)貢獻(xiàn)表面積，所以它的比表面積是極高的。用石墨烯制成的超級(jí)電容器是可以實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程的，其存儲(chǔ)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前主流的電容器。最近美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。

　　關(guān)于高級(jí)計(jì)算機(jī)：這主要涉及石墨烯在集成電路中的應(yīng)用。①石墨烯良好的導(dǎo)電性能，非常適用于頻率不斷提升的高頻電路；②其超高的載流子遷移率有助于大幅度降低能耗、提升微電子集成器件的運(yùn)行速度；③石墨烯是透明的材料，可以制成柔軟的透明電極，應(yīng)用可折疊的觸摸屏。④現(xiàn)代半導(dǎo)體微加工工藝都是二維平面工藝，即在一個(gè)平面上進(jìn)行摻雜、刻蝕、連電極等基本加工。石墨烯的二維結(jié)構(gòu)與之恰好匹配，傳統(tǒng)的微加工工藝完全適用石墨烯微、納米尺度結(jié)構(gòu)的加工。

　　關(guān)于太空電梯：所謂太空電梯，就是要能將乘客從地面送到三萬(wàn)六千公里高空的空間站的電梯。這就需要一條強(qiáng)度超高的纜繩，前面已經(jīng)提到，石墨烯是目前所發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的材料，所以有科學(xué)家提出利用石墨烯做成太空電纜的設(shè)想。但是僅僅只是強(qiáng)度這一參數(shù)符合要求還不夠，就目前的技術(shù)來(lái)講，人們還無(wú)法制造出如此之長(zhǎng)的石墨烯纜繩。因此石墨烯太空電梯還只是停留在設(shè)想的階段。