准备一张纸和一只铅笔,用铅笔轻轻在纸上画几道。恭喜你,你可能已经分离出了石墨烯!要知道,2010年的诺贝尔物理学奖正是由成功分离石墨烯的研究人员获得的。当然,现在纸上留下的石墨烯不方便观察,更不方便研究。倘若我们改进一下,用两条性能很好的胶带将石墨一层层“粘开”,然后将最后得到带有石墨烯的胶带溶解在有机溶剂中,并分离出那层薄得几乎看不见的石墨烯,我们就可以获得诺贝尔奖了–当然,这是在2004年以前。正是在2004年,英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作人员用这种简单的方法,凭借着极大的耐心和不错的RP,最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米的石墨烯,从而获得了诺贝尔奖。(诺贝尔奖不会立即颁发的,科研成果一般有个很长的检验过程,年轻时的成果也许得等到白发苍苍之时才会获奖)
这种方法似乎并没有什么技术难度,事实也证明分离石墨烯需要的是尝试。长久以来,阻碍人们发现石墨烯的是旧的理念,人们一直认为二维晶体无法真实存在,于是并没有多少人试图去寻找这样一种不太可能存在的材料。石墨烯,顾名思义。从上文也可以看出,它其实就是我们学过的石墨晶体中,一层按正六边形排列的碳原子网平面。石墨烯理论厚度即是碳原子厚度,不过石墨烯并不是完全的平面,而是充满着“小波浪”。由于石墨烯的厚度小到可以忽略不计,所以可以称之为二维材料。而这种二维材料,将会改变我们的生活。它所具备的性质,不仅仅令物理学家兴奋不已,化学家、生物学家,甚至军事家都为之称叹。
首先,石墨烯是目前世界上最薄的材料,同时又是世界上最坚硬的物质–比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。几克石墨烯,便可以覆盖整个足球场。如果用笔尖去戳保鲜膜厚度的石墨烯,需要一头大象的重力加在针尖上才能戳穿它。石墨烯不仅可以制造超轻薄的飞机、可以生产无比坚韧的防弹衣,甚至让太空电梯的成为可能。“太空电梯”的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,美国科学家证实,“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线!
石墨烯还有无比神奇的导电性能。经过实验,人们发现石墨烯中载荷子的移动速度(不是电场的速度)非常快,可以达到光速的1/300,是硅的100倍。这使得石墨烯中的载流子明显地表现出量子电动力学中的一些特性。
我们知道,粒子是具有波粒二相性的,可以看作是分布在空间各处的波。比如说,一个能量较低的电子在遇到势垒(微观中势能比附近的势能都高的区域)时,就会有一定概率穿透势垒到另一边去。一般来说,这种“瞬移”的概率不大,基本不影响经典的宏观效应。然而,石墨烯中载荷子以极快的速度运动到势垒前时,穿过的概率却可以达到百分之百!同时,石墨烯可耐受1亿~2亿A/cm2的电流密度,这是铜耐受量的100倍左右。
这些特性,使石墨烯比起目前芯片中那些十几纳米就叫苦连天的硅材料有无以伦比的优势,石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小(几纳米)的单电子晶体管,并且这些晶体管的开关时间将大大缩短,稳定性将大大提高,发热量也将大大减少。这是通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体,双层石墨烯的1平方毫米的薄片上可装有数以百万计的不同的电子设备!摩尔定律的内容也将会因石墨烯的出现而不断实现……2010年2月,石墨烯晶体管的运行频率达到100GHz。人们普遍认为石墨烯将会最终替代硅,从而引发电子工业革命。
同时,单层石墨烯几乎完全透明,吸光率仅2.3%,可以用于触摸屏。石墨烯可制成发光二极管,甚至可以用于激光材料,产生从太赫兹到红外的宽频率。科研人员改变石墨烯的化学构成–给每个碳挂上一个氟原子,在保持石墨烯强度的前提下具有了和特氟龙一样的稳定性以及很好的绝缘性。实验证实石墨烯可以吸收大量氢气,因而可望用于储氢器材中。 对于单层的石墨烯,哪怕是一个外来的分子与它接触,它的某些性质都将有所变化,因此石墨烯可以敏感地探测到哪怕是一个分子的物质,这将是制作探测装置或是传感器的良好材料。在检测气体时石墨烯可精确探测单个气体分子,这使之在化学传感器和分子探针方向有潜在应用前景。石墨烯还能石墨烯和单个心肌细胞之间能形成稳定接触,用作生物传感器等医学器材。氧化石墨有强抗菌性,但对哺乳动物的细胞毒性很小。2010年9月,科学家们开始以石墨烯为基础构思DNA序列……
现在石墨烯的研究仍然是起步阶段,我们相信我们还远远没有了解石墨烯的所有属性。石墨烯的大规模生产成本还十分高昂,现在一克石墨烯可以卖到几千元,远超黄金的价格。以目前的技术,一旦石墨烯面积做大,表面就容易变得坑坑洼洼……当然,国内外的研究者们正在全力攻坚,关于石墨烯新成果不断涌现,技术也日新月异。相信不久的将来,石墨烯成为一种普通的材料,改变我们的生活。哪一天,看到人们拿这比保鲜膜还薄的手机打电话时,可别太惊讶哟!