未来世界的超级材料
作者： 王诗雨
被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯，是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前世界上最轻、最薄、硬度最高、韧性最强，且导电导热性能俱佳的新型纳米材料之一。目前，石墨烯的研究与应用开发持续升温，有些科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
石墨烯的前世今生
与大部分新型材料不同，石墨烯的生产并不需要经过复杂的化学合成工艺，因为它们本来就存在于自然界一种叫作“石墨”的材料中。如果将石墨比作一摞排列整齐的扑克牌，那么石墨烯就是其中的一张。石墨烯一层层堆叠起来就形成了石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。当我们拿着铅笔在纸上轻轻划过，就能留下好多层石墨烯形成的痕迹。
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现，他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们将石墨进行特殊处理后剥离出石墨片，然后将石墨片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断重复这样的操作，薄片便会越来越薄。最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。为了表彰两位科学家在石墨烯研究中作出的杰出贡献，瑞典皇家科学院将2010年诺贝尔物理学奖授予他们。
轻如羽毛但强如钢铁
用石墨烯制作的衣服，将会像羽毛一样轻盈，也能像钢铁那样难以击穿！没错，石墨烯就是这么神奇。它比一张纸轻得多，但强度却是钢的几百倍。我们都知道石墨是自然界中最软的矿物质之一，这也是我们的铅笔芯容易磨损的原因。那为什么从石墨中剥离出来的石墨烯却具有与石墨完全相反的特性呢？这是因为石墨烯的神奇力量并不来源于碳元素本身，而是源自其特殊的原子结构排列。人们在研究石墨的时候发现，其构造是单层原子结构一层层堆叠而成的，层与层之间容易发生滑动，因而石墨本身的结构并不牢固。但是当聚焦于单层石墨的原子结构时，就会发现其碳原子呈现蜂窝状的六边形排布方式，每一个碳原子都与周边三个碳原子链接在一起，从而形成了非常稳固的结构。这样的原子排列方式使得石墨烯不仅强度高，而且延展性极好。
超级导电体
材料导电是基于材料内部电子或离子的定向运动。具体来说，导电体如铜、银等，之所以能够导电，是因为其内部有自由运动的电子。这些自由电子可以在外加电场的作用下发生定向移动，从而形成电流，使得材料具有导电性。作为世界上导电性最好的材料之一，室温下电子在石墨烯中的迁移率是硅材料的10倍多，远超电子在一般导体中的运动速度。
石墨烯之所以导电性能那么强，首先是因为石墨烯存在一种特殊的化学键——大π键，正是这种化学键的存在，使得部分电子能够在整个石墨烯平面内自由移动，形成导电通道。其次，石墨烯的原子排列非常规则且缺陷少，这样的完美晶格结构减少了电子无规则运动的概率，从而提高了电子的迁移率。最后，石墨烯作为单原子层厚度的材料，电子在二维平面内移动时几乎不受厚度方向上的限制，这进一步提升了电子迁移速度和导电性。以上这些因素共同作用，让石墨烯具有优异的导电性能。
石墨烯的应用领域
除了上文介绍的几项特性，石墨烯还具有优秀的导热性和光学性能。集这些优异性能于一身的石墨烯能在很多领域大展身手。
在电子领域，因为石墨烯具有极高的电子迁移率，可用于制造高速、高频的电子器件，如石墨烯场效应晶体管（GFET），为制造高速、高灵敏度的传感器和集成电路提供了可能。此外，由于石墨烯的透光率高、表面电阻小、均匀性好，且化学性能稳定、硬度大，使得它在柔性电子、光电子器件和电路领域有广泛应用。例如，石墨烯可用于制备柔性触摸屏和透明电子器件。未来，石墨烯还有望成为硅的替代品，制造超级计算机的结构部件——超微型晶体管。据相关专家分析，如果用石墨烯取代硅，那么计算机处理器的运行速度将会提高数百倍。
在能源领域，将石墨烯作为电极材料，可以提高锂离子电池的能量密度，延长其循环寿命，有助于生产出更长续航时间和更快速充电的电池，让我们告别“电量焦虑”。同时，石墨烯的比表面积大、柔韧性好、导电性能好，使其成为超级电容器中的理想电极材料，能够实现高能量密度和高功率密度的能量存储。除此之外，石墨烯具有优良的透光性和高电子迁移性，可用于制备高效的太阳能电池，提高太阳能的转换效率。
在航空航天领域，由于航天器在高空飞行的过程中会面临高温和强压问题，这就意味着制造航天器的材料必须兼具散热快和硬度高这两项功能，在这方面石墨烯是不二之选。除此之外，石墨烯具有非常灵敏的传感特性，可以检测外太空环境的细微变化，因此可以被用于制造各种传感器，如压力传感器、温度传感器等。
最初，盖姆和诺沃肖洛夫利用胶带反复粘、撕石墨，最终得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。这种用胶带一层层反复剥离石墨薄片得到石墨烯的方法，生产效率极低，只能用来制备微米厚度的石墨烯，且无法进行工业化量产。后来，随着科技水平的提高，石墨烯的制备效率有了大幅提高。目前，除了传统的物理机械剥离法，还有氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积法等多种制备石墨烯的方法。尽管如此，低成本、高效率地生产大面积、高纯度的石墨烯仍然是个技术难题，但这些难题并不是无法攻克的。随着科技的进步和研究的深入，相信石墨烯的“超能力”在未来将得到更充分的发挥和应用，在各个应用场景中大展身手！