王偉國(guó)

  新聞背景

  日前有消息稱(chēng),，美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器,，能在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車(chē)充電,；國(guó)內(nèi)某上市公司也正在申請(qǐng)石墨烯電池專(zhuān)利。受這些消息影響,，石墨烯概念股近日表現(xiàn)活躍,。

  2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在,。僅僅6年之后，兩人便因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

  一個(gè)成果從完成到獲諾獎(jiǎng)，僅僅間隔6年時(shí)間,，絕對(duì)十分罕見(jiàn)。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了這個(gè)工作的受關(guān)注程度,。

  的確，石墨烯出現(xiàn)以來(lái),，科學(xué)家們很快就發(fā)現(xiàn)了這種材料擁有的各種各樣神奇性質(zhì)，各方面對(duì)它的研發(fā)投入了極大興趣,。有科學(xué)家甚至預(yù)言，石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”,。

  只有一層碳原子厚

  “二維結(jié)構(gòu)”從想象變成現(xiàn)實(shí)

  我們所有人對(duì)“石墨”都不陌生,， 因?yàn)殂U筆的筆芯就是由它和粘土混合而成的。

  石墨是由碳元素組成的,。在電子顯微鏡下,，可以發(fā)現(xiàn)石墨的結(jié)構(gòu)是層狀的,，每一層的碳原子都排列成緊密的蜂窩狀六邊形網(wǎng)格，而層與層之間的距離則比較大,，層間作用力較弱，很容易互相剝離,，形成薄薄的石墨片,。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會(huì)留下痕跡,，正是這種松散堆砌的結(jié)果,。 

  很早以前就有人想到,，如果將石墨一層層剝離，最后能不能得到只由單層原子組成的“二維”石墨片,？1987年，有人正式給這種理想中的“二維”石墨片取了個(gè)名字,，就叫石墨烯。

  這幾乎是只能在教科書(shū)的物理作業(yè)中出現(xiàn)的“理想狀態(tài)”,。直到21世紀(jì)初,，人們所達(dá)到的最好業(yè)績(jī)——即最薄的石墨片——也只到幾十層原子的水平。

  更糟糕的是,，早在20世紀(jì)30年代,，著名俄國(guó)物理學(xué)家朗道等人就已證明,，二維材料的熱運(yùn)動(dòng)漲落會(huì)破壞自身的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也在佐證著這一結(jié)論,，比如石墨層越薄，就越容易卷曲成球狀或柱狀,，而無(wú)法維持平面結(jié)構(gòu)。因此,，制備石墨烯曾被很多人認(rèn)為是注定無(wú)法成功的事情,。

  而海姆和諾沃肖洛夫團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)了一種十分簡(jiǎn)單的方法：他們用透明膠帶粘住石墨層的兩個(gè)面,，然后撕開(kāi)，使之分為兩片,。不斷重復(fù)這一過(guò)程,，就可以得到越來(lái)越薄的石墨薄片,，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯,。

  聽(tīng)上去輕而易舉，但其中真正實(shí)現(xiàn)還是要克服很多困難,，是外行人難以理解的,。海姆實(shí)驗(yàn)組制備石墨烯前后持續(xù)了一年多時(shí)間，而制備出的石墨烯只有幾平方微米,，要用高倍顯微鏡才能觀測(cè)到,。

  從狹義上來(lái)說(shuō)，石墨烯指單層的石墨,；從廣義上來(lái)說(shuō),，層數(shù)小于10層的石墨都可稱(chēng)為石墨烯。近年來(lái),，被它的誘人應(yīng)用前景所吸引,，各方面投入了很大人力物力，研發(fā)大規(guī)模工業(yè)制備石墨烯的方法,，目前已經(jīng)開(kāi)辟了多種途徑，大致可分為物理方法和化學(xué)方法兩類(lèi),，也獲得了很多重要突破,，然而這仍然是十分困難的工作，從石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格也可見(jiàn)一斑：如此便宜隨處可見(jiàn)的石墨,，制成石墨烯后,，價(jià)格就十倍于黃金,。

  力學(xué)強(qiáng)度最大 電子傳輸最快

  神奇特性可顛覆日常經(jīng)驗(yàn)

  原本似乎只能在想像中存在的“二維”石墨烯，一旦真的被制取出來(lái)以后,，它的種種神奇性質(zhì),，足可以顛覆我們過(guò)去的很多日常經(jīng)驗(yàn)。

  從力學(xué)性質(zhì)上說(shuō),，石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí),，碳原子面就彎曲變形,，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,?？茖W(xué)家已經(jīng)證實(shí)了石墨烯是目前世界上已知的強(qiáng)度最高的材料，比鉆石還堅(jiān)硬,，是世界上最好的鋼鐵強(qiáng)度的100多倍,。瑞典皇家科學(xué)院在頒發(fā)2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)曾這樣比喻：“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”,。有人這樣引申說(shuō),，由于石墨烯厚度只有單層原子，透光率高達(dá)97.7%,，因此如果真有那樣的吊床,，它不僅對(duì)于肉眼,，甚至對(duì)于很多儀器來(lái)說(shuō)都是不可見(jiàn)的，我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子,。還有估算顯示,，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車(chē),。

  從熱電性質(zhì)上來(lái)說(shuō),，在石墨烯的“二維世界”里,，電子運(yùn)動(dòng)具有很奇特的性質(zhì)，即電子的質(zhì)量仿佛是不存在的,，其傳導(dǎo)速度可達(dá)光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度,。加上石墨烯結(jié)構(gòu)在常溫下的高度完美性,，使得電子的傳輸及對(duì)外場(chǎng)的反應(yīng)都超級(jí)迅速,，這使得石墨烯具有超常的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。而且更重要的是,，石墨烯還可以用來(lái)制作晶體管,，由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性,，這種晶體管在接近單個(gè)原子的線度上依然能穩(wěn)定地工作,。很多人相信,，石墨烯將會(huì)成為硅的接班人,，引領(lǐng)技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)新的微縮時(shí)代的來(lái)臨。

  石墨烯除了具有超高的強(qiáng)度和韌性外,，還有不透水,、不透氣以及抵御強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的能力,，這使它有可能成為制作保護(hù)膜的理想材料,。而石墨烯既能導(dǎo)電又高度透明的特點(diǎn),，則使它有可能在制作液晶顯示屏、觸摸顯示屏,、太陽(yáng)能電池板等領(lǐng)域大顯身手,。

  延伸閱讀

  應(yīng)用幾乎有無(wú)限可能

  由于石墨烯材料本身的神奇性質(zhì)，使它的應(yīng)用幾乎具有無(wú)限可能,，下面我們來(lái)介紹幾種人們最多談到的具體思路,。 

  幾萬(wàn)公里的太空電梯纜線

  石墨烯堪稱(chēng)人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料,、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣,，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開(kāi)了一扇大門(mén)。

  這種早在1895年就由火箭理論的先驅(qū)者,、俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出過(guò)的迷人設(shè)想，一直面臨著一個(gè)致命問(wèn)題,，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星,、長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)公里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，來(lái)承載“太空電梯”的上下往復(fù),。美國(guó)科學(xué)家表示，石墨烯的出現(xiàn),，完全有能力承擔(dān)這一艱巨任務(wù),。

  一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影 

  2011年6月，一篇有關(guān)石墨烯應(yīng)用的研究論文在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表,。美國(guó)華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯研制出了一款調(diào)制器,，科學(xué)家表示,，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待,。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于,，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速,、對(duì)熱不敏感,，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器,，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題,。 

  據(jù)稱(chēng)，每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍,。如果把10個(gè)石墨烯調(diào)制器放在一起,，傳輸速度可以達(dá)到百萬(wàn)兆，上網(wǎng)速度將比現(xiàn)在快1萬(wàn)倍,。

  一分鐘給手機(jī),、汽車(chē)充電

  美國(guó)研究人員近日公布了他們研制的一種新型電池，這種電池能在一分鐘內(nèi)給手機(jī),，甚至是汽車(chē)充滿電,。這種名叫微型石墨烯超級(jí)電容器的裝置的充電或者是放電速度比常規(guī)電池快100倍到1000倍。研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性,，開(kāi)發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備,，可以將充電時(shí)間從過(guò)去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》上,。 

  研究人員表示，對(duì)于超級(jí)電容器來(lái)說(shuō),，它再“快”也不過(guò)是數(shù)量上的升級(jí),，“小”才是其最大價(jià)值。一直以來(lái),，電子產(chǎn)品的微型化,、小型化，常常會(huì)遭遇儲(chǔ)能系統(tǒng)方面的阻礙,。過(guò)大的電池體積,，拖累了整個(gè)產(chǎn)品的靈活小巧。而新型超級(jí)電容器不但擁有較小的體積,，且可以輕易整合到其他配件當(dāng)中,。