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石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。并且石墨烯在自然界也有產(chǎn)出，2014年在中國由一顆碳質(zhì)球粒隕石中，發(fā)現(xiàn)存在希格斯粒子場的能效機制，在此之中就發(fā)現(xiàn)了由碳原子碳晶體自組裝的彎曲納米石墨烯，顯為碳原子的電子圈量子的能效形成天然的石墨烯。中國發(fā)現(xiàn)的這顆碳原子“石墨烯”使人們得以看見石墨烯的成長機理，意義重大。
石墨烯是一種“超級材料”，硬度超過鉆石，同時又像橡膠一樣可以伸展。它的導電和導熱性能超過任何銅線，重量幾乎為零。隨著這種令人驚嘆的新材料投入使用，我們生活的方方面面都將發(fā)生革命性改變。懷疑論者指出，碳纖維等絕大多數(shù)新材料在發(fā)明后需要20年時間才能投入商業(yè)使用，石墨烯也不例外?，F(xiàn)在，科學家已經(jīng)踏上偉大的石墨烯革命之路，但這條道路也充滿不確定性。
性能高 成本低
一些研究人員表示石墨烯是繼100多年前首次人工合成塑料之后研發(fā)的最重要的新材料。如果這種擁有超強性能的新材料投入使用，研制可以彎曲并放在耳后的手機將不再是一種夢想，高清晰電視的厚度也將只有壁紙那么厚，電子報紙也將變得可彎曲，讓讀者可以將其放在狹小的空間里。石墨烯能夠讓醫(yī)藥界發(fā)生革命性改變，能夠取代硅，成為制造電腦芯片的原材料。
7年前，英國發(fā)現(xiàn)了這種神奇的材料。2010年，曼徹斯特大學的兩位科學家憑借在石墨烯研究方面取得的成就榮獲諾貝爾物理學獎。本周，英國財政大臣喬治-歐斯本承諾拿出5000萬英鎊(約合7778萬美元)，研發(fā)基于這種超堅固材料的技術(shù)。在經(jīng)濟學方面，石墨烯最令人興奮的特性莫過于較低的成本。通常情況下，科學家研發(fā)一種新型材料時成本都高的驚人。石墨烯采用對石墨進行化學處理的方式制造。石墨是鉛筆中“鉛”的原材料，造價很低。每隔幾個月，研究人員都會研發(fā)出大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新方式，進一步降低成本。一些專家表示石墨烯的生產(chǎn)成本能夠降至低于每磅4英鎊(約合每453克6美元)。
石墨烯能夠成為21世紀堪稱奇跡的新材料嗎？擁有諸多特性的石墨烯化學結(jié)構(gòu)非常簡單，簡單的令人感到不可思議。一片石墨烯就是一層碳原子，它們緊密結(jié)合在一起，形成蜂巢圖案。石墨烯是迄今為止研發(fā)的最薄材料。300萬片石墨烯堆疊在一起的厚度也不過1毫米。此外，它也是人類已知的最堅固材料，強度是剛的200倍，硬度是鉆石的數(shù)倍。
史上最薄的材料
一片石墨烯能夠承受相當于一頭大象的重量。計算結(jié)果顯示，一頭大象需要站在鉛筆的末端，才能憑借體重刺破石墨烯片。除了強度極高外，石墨烯也擁有驚人的柔軟性，可在不出現(xiàn)破損的情況下伸展20%。此外，這種材料的導電性也遠遠高于銅(通常用于生產(chǎn)電線)，同時也是地球上導熱性能最高的材料。
石墨烯由石墨制成，后者是一種灰色礦物，儲量極高，主要產(chǎn)自智利、印度和加拿大等國。鉛筆芯由數(shù)百萬層石墨烯構(gòu)成。這些層松散地結(jié)合在一起，這也就是為什么鉛筆劃過紙面時，石墨烯會脫落。2004年，康斯坦丁-諾沃肖羅夫教授和安德魯-蓋姆教授首次分離出石墨烯。他們利用膠帶剝離石墨上的薄層，而后將其放在硅片上并借助顯微鏡進行觀察以進行確認。
諾沃肖羅夫教授出生于俄羅斯，現(xiàn)年37歲。他認為石墨烯能夠讓從電子學到電腦的一系列領域發(fā)生革命性改變。他說：“我不認為石墨烯的潛力被夸大。憑借簡單的結(jié)構(gòu)——可能是世界上最薄的物質(zhì)——以及大量獨特的特性，這種新材料吸引了很多人的目光。石墨烯擁有數(shù)百種獨一無二的特性，優(yōu)于其他材料。由于只有一個原子那么厚，這種材料透明度極高。具有導電性能的透明材料并不多。”
成為材料學界焦點
石墨烯的發(fā)現(xiàn)轟動了材料學界，隨后便成為研究焦點。2010年，有關石墨烯特性的研究論文多達3000篇，專利申請400項。電子業(yè)相信石墨烯將讓包括iPhone和Kindle在內(nèi)的電子產(chǎn)品的制造發(fā)生革命性改變。現(xiàn)代觸摸屏采用氧化銦錫，這是一種可以導電的透明材料，造價昂貴。此外，使用這種材料制造的屏幕很容易摔裂或者摔碎。用基于石墨烯的化合物取代氧化銦錫允許制造柔軟的薄如紙的電腦和電視屏幕。韓國研究人員使用石墨烯制造出25英寸(約合63.5厘米)可彎曲觸摸屏。
如果使用石墨烯作為原材料，電子報紙的面貌將發(fā)生徹底改變。我們不妨想象一下，輕觸電子報紙角落里的按鈕，更新內(nèi)容或者移到下一頁，看完之后將其折疊起來，第二天再打開，繼續(xù)瀏覽自己關注的內(nèi)容。其他一些研究人員將目光投向石墨烯的醫(yī)學用途。此外，這種新材料也可用于取代碳纖維船身和自行車車身。石墨烯制造的輪胎強度也要超過普通輪胎。一些研究人員表示石墨烯甚至可以取代硅，用于制造電腦芯片。未來，一張石墨烯信用卡存儲的信息量可相當于今天的電腦。
諾沃肖羅夫表示：“我們正在研發(fā)這種新材料的諸多特性。如此多的人研究一種材料是以往未曾出現(xiàn)過的。你可能希望將其與塑料結(jié)合在一起。石墨烯是一種萬能材料，相當于所有塑料的總和。這是一種令人吃驚的材料，它的潛力并沒有被夸大，這也就是為什么會有如此多的研究人員研究這種材料。”
英政府太“摳門”
倫敦科學博物館材料學館館長蘇-莫斯曼表示，石墨烯可以與酚醛樹脂相提并論，后者是科學家首次合成的塑料，發(fā)明于1907年。酚醛樹脂具有較高的抗熱和抗化學物質(zhì)特性，是一種出色的電絕緣材料，用于生產(chǎn)電源插頭、無線電、照相機和電話。她說：“酚醛樹脂的時代是否將成為過去并被石墨烯取代？歷史的經(jīng)驗告訴我們，我們這個國家很善于發(fā)明，但卻不善于將發(fā)明投入應用。”
英國歷史上一些偉大發(fā)明最終都未得到適當?shù)纳虡I(yè)開發(fā)，為普通百姓造福，例如聚乙烯和碳纖維，如果不讓石墨烯步這些發(fā)明后塵，英國政府需要投入大量資金進行研發(fā)。這也就是為什么政府出資幫助研發(fā)的舉動在保守黨會議上博得一片掌聲。但與美國和亞洲在石墨烯研發(fā)方面的投入相比，財政大臣承諾的5000萬英鎊微不足道。為了研發(fā)基于石墨烯的技術(shù)，韓國政府投入了1.95億英鎊(約合3億美元)，歐盟委員會預計在未來10年投入10億歐元(約合13億美元)研發(fā)石墨烯技術(shù)。
盡管對石墨烯技術(shù)的研發(fā)充滿激情，但很多研究人員懷疑這種新材料能否實現(xiàn)如此高的預期。在石墨烯之前，科學家也曾研發(fā)出驚人的新材料，但最終的應用卻少得可憐。1985年，科學家研發(fā)出新型碳材料富勒烯，被譽為當時的革命性新材料。盡管進行了大量宣傳，但這種材料并未得到很大的實際應用。
石墨烯的使用也面臨一系列問題。這種材料的導電性能極高，可用于制造晶體管——負責控制電流，需要具備阻止電流通過的能力——等裝置，但事實證明，石墨烯的這一用途面臨挑戰(zhàn)。2011年初，IBM承認“很難想象”用石墨烯取代硅，用于生產(chǎn)電腦芯片。懷疑論者指出，碳纖維等絕大多數(shù)新材料在發(fā)明后需要20年時間才能投入商業(yè)使用?，F(xiàn)在，科學家已經(jīng)踏上偉大的石墨烯革命之路，但這條道路也充滿不確定性。
