石墨烯的奥秘

佘惠敏

石墨烯就是单层的石墨

在整个宇宙之中，所有的物质都是由不同的元素所构成的，但同一种元素却并非只能构成同一种物质，元素通过不同的结构进行组合就能够形成不同的物质。以碳元素为例，当一个碳原子周围有四个碳原子，它们以共价键的方式相结合，且周围的四个碳原子与中心的碳原子形成一个正四面体结构的时候，就组成了一种物质，我们叫它钻石。因为碳原子之间是以很强的共价键结合的，所以钻石的硬度很高，又被称为金刚石。钻石的硬度很高，但另一个同样由碳原子所组成的物质却十分光滑，它就是石墨。

当碳原子通过化学键结合成诸多正六边形的结构，就组成了一个层，很多层叠在一起就组成了石墨。

在石墨中，同一层的碳原子依靠化学键结合，而层与层之间却没有化学键，它们是依靠原子间的弱碱性电性吸引力结合在一起的，所以同一层碳原子的结合非常牢固，而层与层之间则是可以滑动的，而这种层与层之间的滑动就是石墨光滑特性的根源。

那么什么是石墨烯呢？很简单，石墨烯就是单层的石墨，如果将石墨的一层结构单独拿出来，那就是石墨烯。

石墨烯的发现是在2004年，而在此之前，科学家们一直断定类似于石墨烯的物质是不会存在的，为什么呢？原因很简单，我们身处在一个三维空间之中，所有的事物都是三维结构的，像石墨烯这种二维结构的物质不可能存在于三维空间之中。

一张纸是不是二维结构呢？当然不是，纸是三维结构物质，它是立体的，拥有长宽高，只不过高度，也就是厚度很薄而已。

但石墨烯就不同了，它基本上可以说是一种二维结构物质，石墨烯就是单层石墨，它的结构是平面的，厚度为一个原子，那么这一个原子到底有多厚呢？我们知道，纳米这个单位是很小的，一纳米就等于10-9米，而单层石墨的厚度为0.355纳米，很薄很薄，薄得没有办法再薄。

二维结构的物质无法存在于三维空间之中，这是一个常识，但有人就偏偏不信邪。这两个不信邪的人，一个叫作安德烈·海姆，另一个叫作诺沃肖洛夫，他们都来自英国曼彻斯特大学。这两个人就想啊，一定有什么办法能够获得单层的石墨，毕竟石墨的结构具备这种潜力，同层原子的结构牢固，而层与层之间却没有化学键相连。

那么怎么能把单层石墨弄出来呢？先别想那么多，先尽量把石墨弄薄再说，于是他们采用了一个非常简单的办法，就是用胶条粘。

当我们在纸上写错字的时候，就会用胶条把错字粘下来，这种技术早在三四十年以前就出现了，而我们粘下来的其实是纸张的表面一层。胶条能够粘下纸上的表层，自然也能粘下石墨，于是一层薄薄的石墨被粘下来了，不过此时的石墨距离单层石墨还有十万八千里，没关系，再粘，用另一个胶条把粘有石墨的胶条再粘一下，就又得到了更薄的一层石墨，如此往复，最终就获得了单层石墨，也就是石墨烯。

别看发现石墨烯的过程似乎并不太过复杂，但这一发现却斩获了2010年的诺贝尔物理学奖，原因就是人类首次在三维空间中发现了二维结构物质。

那么石墨烯这种材料到底有何特别之处呢？

石墨烯具有很多优点，由于碳原子之间通过化学键结合相当牢固，所以石墨烯是一种又薄、强度又大的物质，且具有很好的拉伸性。再者，石墨烯的导电性能和导热性能都十分优异，金属具有良好的导电性，而在金属之中导电性能最好的就是银，而石墨烯的导电性比银还要好。

1克足以覆盖一个足球场

石墨为什么不同于金刚石呢？这是因为石墨是由其他材料与石墨混合在一起，而钻石则是由单一的碳原子组成的物质，所以在纯度上比石墨更坚固。如果我们在书本上学的这些止步于此，那就没有石墨烯的出现了，也正是孜孜不倦的探究精神，在1985年人们发现碳的另一种同素异形体-富勒烯，由60个碳原子的橄榄球状笼子制成，直到2004年将平坦的碳原子卷曲制成直径为1纳米的超薄空心管和鼓状石墨烯。

石墨烯是什么观察许多熟悉的固体材料，我们会发现：许多原子排列成规则的、无休止的重复三维结构，只是原子之间没有看不见的结合，它们不是结合在一起，而是固定在一起。钻石和石墨都具有三维结构，尽管它们是完全不同的：在钻石中，原子紧密地结合在三维四面体中，而在石墨中，原子紧密地结合在二维层中。

而石墨烯是单层石墨。它的晶体结构是二维的。换句话说，石墨烯中的原子是平坦放置的，每一层石墨烯都是由碳的六边形“环”制成的，从而呈现出蜂窝状的外观。由于这些层本身只有一个原子高度，因此需要堆叠约300万个才能将石墨烯制成1毫米厚！

所以拥有一个原子厚度的石墨烯注定是很轻的一种物质，很显然我们可以把1克的石墨烯分布开来，足足可以覆盖一个足球场大小的面积，尽管没有人这样做过，但我们可以做一个计算，如果将石墨烯覆盖我们的整个国土面积，也只需要2000吨而已。

石墨烯被认为是迄今发现的最坚固的材料

石墨烯的特点强度：石墨烯比钻石的硬度更强！石墨烯被认为是迄今发现的最坚固的材料，比鋼强200倍。值得注意的是，它既僵硬又有弹性，因此您可以将其拉伸到惊人的程度（原始长度的20%到25%）而不会断裂。那是因为石墨烯中碳原子的平面可以相对容易地弯曲而不会分裂。我们可以使用这一特征用其制造复合材料，用于汽车制造，以及其他用途，可以更环保更节能。

石墨烯形貌表征。

电导率：石墨烯电池大家肯定听说过，它就是利用了石墨烯的电导率，因为石墨烯的扁平六边形晶格对电子的阻力相对较小，电子可以快速、轻松地通过电子，甚至比一些超导体载流性能都更好，根据其超好的防渗透特质与体积结构，电池将做得更小，存电量更多，相比普通锂电池更具环保性。

电子特性：电导率只是以相对粗糙的方式将电从一个地方“运送”到另一个地方。石墨烯可以搭载操纵带电的电子流，如果处理器用上了石墨烯，电子像光子一样穿过石墨烯，速度更快，或许我们能更快速地发展到6G时代。

光学性质：通常，一种物体越薄，它越可能是透明的，石墨烯也一样，只有一个原子厚的超薄石墨烯几乎完全透明，它的透光率约97%～98%。但是我们要记住石墨烯也是一种神奇的电导体，我们可以结合这一性质，制作出既是窗户玻璃又能发电的环保材料了。

自从2004年石墨烯被发现以来，由单层原子组成的二维材料引起了人们的极大关注。它们具有独特的电学、光学和机械性能，如高导电性、柔韧性和强度，这使它们成为激光、光伏、传感器和医疗应用等领域很有前景的材料。当一张二维材料被放在另一张上并稍微旋转时，扭曲可以从根本上改变双层材料的性质，并导致产生奇异的物理行为，比如高温超导等。

非线性光学（激发激光和数据传输）以及结构超润滑性（一种新发现的机械特性）研究人员才刚刚开始了解。对这些性质的研究，催生了一个新的研究领域，被称为扭转电子学，之所以这么叫，是因为它是扭曲和电子学的结合。阿尔托大学科学家与国际同行合作，首次开发出一种在足够大的尺度上，制作这些扭曲层的新方法，其研究发表在《自然—通讯》期刊上。

镜像对称 MATTG 中的电子结构与强超导性。图片|Nature

那么怎么能把单层石墨弄出来呢？先别想那么多，先尽量把石墨弄薄再说，于是他们采用了一个非常简单的办法，就是用胶条粘。

研究转移单原子层二硫化钼（MoS2）的新方法，使研究人员能够精确控制面积高达1平方厘米层之间的扭曲角度，使其在大小上打破纪录，而层间扭角的大范围控制，是扭转电子学未来实际应用的关键。研究的主要作者之一、阿尔托大学杜罗军（音译）博士说：该扭曲方法使我们能够在比以往更大的范围内，调整堆叠多层二硫化钼结构的性质，扭曲方法也可以适用于其他二维分层材料。

全新研究领域的重大进步

由于扭振研究是在2018年才引入的，在扭曲材料走向实际应用之前，仍然需要基础研究来更好地了解它们的性质。沃尔夫物理学奖是最负盛名的科学奖之一，颁发给了他。今年，拉菲·比斯特里策、巴勃罗·贾里洛-赫雷罗和艾伦·H·麦克唐纳因他们在双曲电子学方面的开创性研究而获奖，这表明了这个新兴领域有改变游戏规则的潜力。以前的研究已经证明，通过传送法或原子力显微镜针尖操纵技术，可以在小范围内制造出所需的扭转角度。

样本大小通常在10微米左右，小于一根头发的大小，研究还制备了较大的几层膜，但层间扭转角是随机的。现在，研究人员可以使用外延生长方法和水辅助转移方法来生长大尺寸薄膜。由于在转移过程中不需要聚合物，样品的界面相对干净。通过控制扭角和超净的界面，研究人员可以调整物理性质，包括低頻层间模式、能带结构以及光学和电学性质，而且这项研究对于指导基于二维材料双向电子学的未来应用具有重要意义。

尽管石墨烯的这些特征已被证实，但是还需要解决很多技术难题才能投入生产使用，可以肯定的是石墨烯是一种环保节能材料，对我们的环境有着莫大的提升与改造，相信不久的将来一大部分是石墨烯参与的格局。

◎ 来源| 中国经济网