石墨烯：未来极具潜力的新材料

文／陈思进

迄今为止，人类社会已经历经了三次工业革命。第一次工业革命是18世纪60年代到19世纪中的蒸汽时代。之前，人类活动都是依靠人力，但人的力量是有限的。在蒸汽机出现以后，人类的生产力得到了解放，从农业时代进入到了工业时代。第二次工业革命是19世纪下半叶到20世纪初的电气时代，随着电力的广泛使用，并且开始使用第二种化石能源——石油，人类进入现代化社会。第三次工业革命是从20世纪四五十年代直到今天，随着第一台二进制计算机的问世，人类进入了信息时代。

目前，科技界普遍认为，人类已进入第四次工业革命的初期，量子科技、人工智能、基因工程、新材料、新能源等是核心的基础科技。

我之前在专栏中简单科普了量子科技、人工智能等，接下来再介绍新材料，先从堪称能改变世界格局的21世纪的“新材料之王”——石墨烯（Graphene）谈起。

什么是石墨烯？

简而言之，石墨烯是碳的一种存在形式，它与铅笔芯、金刚石（也就是钻石）等为同素异形体，由同样的单一化学元素组成，区别只是它们的碳原子之间的结构不同，因排列方式不同而具有不同性质。

就拿钻石来说，其碳12原子的结构特征是每个碳原子都有4个共价键，原子间结构牢固，组成具有4个角相等的正四面体，形成一个钻石晶胞，然后无数个钻石晶胞聚在一起形成了钻石。

那么，什么是石墨呢？石墨不是立体结构，是一层一层的，每一层由无数个6个碳原子形成的环连在一起，而无数层摞起来就是石墨。

不过，层与层之间没有化学键，靠的是分子的范德华力（指分子或原子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力）结合，而范德华力和化学键相比，结实程度相差太远，好似手纸一般，层与层之间非常松软，而且还可以相互滑动，因此，石墨具有润滑性。

以前，石墨烯被认为是假设性结构，无法单独稳定存在，直至2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

其实，他们没有使用任何高科技手段，而是“纯手工”用透明胶带来切割石墨，将石墨烯“撕”出来的。不过，这听着简单，却包含了一个数学原理，就是不管多厚，哪怕有几万层，只要每次一分为二，再一分为二，循环往复，分15次就能达到目的。

石墨烯可以用在哪儿？

显然，石墨烯是目前世上最薄的纳米材料，一层的厚度只有0.355纳米，三层一块儿才一个多纳米，是几乎完全透明的，只吸收2.3%的光，好似二维结构；又是目前最坚硬的纳米材料，重量极轻，强度却是钢的300倍！同时还是目前电阻率最小的材料，以及拉伸性好、导热性和散热性最强。

由于石墨烯的电子移动速度极快，又轻又薄又结实，机械强度特别高，再加上它是透明、电阻率极低、良好的导体，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件，甚至芯片；也适合用来制造透明触控（可折叠的）屏幕或光板，甚至太阳能电池；并可用来做汽车或航空材料；在军事上的用途更广，比如防弹衣、航母弹射器管道中的润滑层。

而在科幻作品中，大家可能听说过太空电梯。现在人类上太空需要发射运载火箭，载人舱与空间站对接，又费钱又费时，相当危险。于是，在科幻影视里，人类会搭建一部电梯，直接连接到太空站，去太空旅游的话，只要进到这个电梯，按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯，因其又轻又坚固，这个科幻构想也许将成为现实！