超硬材料網

　　碳是最重要的元素之一，它有著獨特的性質，是所有地球生命的基礎。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨。2010年諾貝爾物理學獎所指向的，是碳的另一張奇妙臉孔：石墨烯。
　　
　　想象有那么一張單層的網，每一個網格都是一個完美的六邊形，每一個繩結都是一個碳原子。這張網只有一個原子那么厚，可以說沒有高度、只有長寬，是二維而不是三維的。這就是石墨烯，它是二維的碳，人類已知的最薄材料，一種正為物理學和材料學帶來許多新發現的東西。
　　
　　由于這種材料是從石墨中制取的，而且包含烯類物質的基本特征——碳原子之間的雙鍵，所以稱為石墨烯。實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。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。層與層之間附著得很松散，容易滑動，使得石墨非常軟、容易剝落。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。
　　
　　科學家在20世紀40年代就對類似石墨烯的結構進行過理論研究，但在此后很長時間里，制取單層石墨烯的努力一直沒有成功，有人認為這樣的二維材料是不可能在常溫下穩定存在的。2004年10月，發表在美國《科學》雜志上的一篇論文推翻了這種認知。在英國曼徹斯特大學工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用普通膠帶完成了他們的“魔術”。
　　
　　他們用膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反復粘上十到二十次之后，薄片就變得越來越薄，最終產生一些單層石墨烯。這個看上去非常簡單、一點兒也不高科技的方法，并不是他們的首創。在此之前就有人試過，但沒能辨識出單層石墨烯。
　　
　　海姆和諾沃肖洛夫把剝離下來的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效應使薄片在顯微鏡下呈現彩色條紋，就像油膜在水面上產生的效果。利用這種效應，他們觀察到了單層石墨烯。就這樣，第一種二維晶體材料正式出現了。之后，人們又制備出一些其他二維材料，例如氮化硼和二硫化鉬的二維晶體。
　　
　　石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質的應用前景。
　　
　　石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高出百倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只貓的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相當于貓的一根胡須。
　　
　　石墨烯的導電性比銅更好，導熱性遠超一切其他材料。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無法穿透。
　　
　　科學家認為，利用石墨烯制造晶體管，有可能最終替代現有的硅材料，成為未來的超高速計算機的基礎。晶體管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10納米的尺度上已開始不穩定，而石墨烯可以將晶體管尺寸極限向下拓展到1個分子大小。海姆和諾沃肖洛夫已于2008年制造出1個原子厚、10個原子寬的晶體管。
　　
　　石墨烯還可用于制造透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用于制造汽車、飛機和衛星。由于具備完美結構，石墨烯還能用來制造超靈敏的感應器，即使是最輕微的污染也能察覺。
　　
　　但這樣夢幻般的情景離實際還有距離，其中新型超級計算機這樣的東西更是十分遙遠。這種二維的碳到底會給人類世界帶來什么樣的改變，即使是剛剛戴上諾貝爾獎桂冠的研究者們，也無法預知。