佘惠敏

石墨烯就是單層的石墨

在整個(gè)宇宙之中，所有的物質(zhì)都是由不同的元素所構(gòu)成的，但同一種元素卻并非只能構(gòu)成同一種物質(zhì)，元素通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合就能夠形成不同的物質(zhì)。以碳元素為例，當(dāng)一個(gè)碳原子周圍有四個(gè)碳原子，它們以共價(jià)鍵的方式相結(jié)合，且周圍的四個(gè)碳原子與中心的碳原子形成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，就組成了一種物質(zhì)，我們叫它鉆石。因?yàn)樘荚又g是以很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合的，所以鉆石的硬度很高，又被稱為金剛石。鉆石的硬度很高，但另一個(gè)同樣由碳原子所組成的物質(zhì)卻十分光滑，它就是石墨。

當(dāng)碳原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合成諸多正六邊形的結(jié)構(gòu)，就組成了一個(gè)層，很多層疊在一起就組成了石墨。

在石墨中，同一層的碳原子依靠化學(xué)鍵結(jié)合，而層與層之間卻沒(méi)有化學(xué)鍵，它們是依靠原子間的弱堿性電性吸引力結(jié)合在一起的，所以同一層碳原子的結(jié)合非常牢固，而層與層之間則是可以滑動(dòng)的，而這種層與層之間的滑動(dòng)就是石墨光滑特性的根源。

那么什么是石墨烯呢？很簡(jiǎn)單，石墨烯就是單層的石墨，如果將石墨的一層結(jié)構(gòu)單獨(dú)拿出來(lái)，那就是石墨烯。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)是在2004年，而在此之前，科學(xué)家們一直斷定類似于石墨烯的物質(zhì)是不會(huì)存在的，為什么呢？原因很簡(jiǎn)單，我們身處在一個(gè)三維空間之中，所有的事物都是三維結(jié)構(gòu)的，像石墨烯這種二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)不可能存在于三維空間之中。

一張紙是不是二維結(jié)構(gòu)呢？當(dāng)然不是，紙是三維結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它是立體的，擁有長(zhǎng)寬高，只不過(guò)高度，也就是厚度很薄而已。

但石墨烯就不同了，它基本上可以說(shuō)是一種二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)，石墨烯就是單層石墨，它的結(jié)構(gòu)是平面的，厚度為一個(gè)原子，那么這一個(gè)原子到底有多厚呢？我們知道，納米這個(gè)單位是很小的，一納米就等于10-9米，而單層石墨的厚度為0.355納米，很薄很薄，薄得沒(méi)有辦法再薄。

二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)無(wú)法存在于三維空間之中，這是一個(gè)常識(shí)，但有人就偏偏不信邪。這兩個(gè)不信邪的人，一個(gè)叫作安德烈·海姆，另一個(gè)叫作諾沃肖洛夫，他們都來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)。這兩個(gè)人就想啊，一定有什么辦法能夠獲得單層的石墨，畢竟石墨的結(jié)構(gòu)具備這種潛力，同層原子的結(jié)構(gòu)牢固，而層與層之間卻沒(méi)有化學(xué)鍵相連。

那么怎么能把單層石墨弄出來(lái)呢？先別想那么多，先盡量把石墨弄薄再說(shuō)，于是他們采用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的辦法，就是用膠條粘。

當(dāng)我們?cè)诩埳蠈戝e(cuò)字的時(shí)候，就會(huì)用膠條把錯(cuò)字粘下來(lái)，這種技術(shù)早在三四十年以前就出現(xiàn)了，而我們粘下來(lái)的其實(shí)是紙張的表面一層。膠條能夠粘下紙上的表層，自然也能粘下石墨，于是一層薄薄的石墨被粘下來(lái)了，不過(guò)此時(shí)的石墨距離單層石墨還有十萬(wàn)八千里，沒(méi)關(guān)系，再粘，用另一個(gè)膠條把粘有石墨的膠條再粘一下，就又得到了更薄的一層石墨，如此往復(fù)，最終就獲得了單層石墨，也就是石墨烯。

別看發(fā)現(xiàn)石墨烯的過(guò)程似乎并不太過(guò)復(fù)雜，但這一發(fā)現(xiàn)卻斬獲了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，原因就是人類首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)。

那么石墨烯這種材料到底有何特別之處呢？

石墨烯具有很多優(yōu)點(diǎn)，由于碳原子之間通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合相當(dāng)牢固，所以石墨烯是一種又薄、強(qiáng)度又大的物質(zhì)，且具有很好的拉伸性。再者，石墨烯的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能都十分優(yōu)異，金屬具有良好的導(dǎo)電性，而在金屬之中導(dǎo)電性能最好的就是銀，而石墨烯的導(dǎo)電性比銀還要好。

1克足以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)

石墨為什么不同于金剛石呢？這是因?yàn)槭怯善渌牧吓c石墨混合在一起，而鉆石則是由單一的碳原子組成的物質(zhì)，所以在純度上比石墨更堅(jiān)固。如果我們?cè)跁旧蠈W(xué)的這些止步于此，那就沒(méi)有石墨烯的出現(xiàn)了，也正是孜孜不倦的探究精神，在1985年人們發(fā)現(xiàn)碳的另一種同素異形體-富勒烯，由60個(gè)碳原子的橄欖球狀籠子制成，直到2004年將平坦的碳原子卷曲制成直徑為1納米的超薄空心管和鼓狀石墨烯。

石墨烯是什么觀察許多熟悉的固體材料，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：許多原子排列成規(guī)則的、無(wú)休止的重復(fù)三維結(jié)構(gòu)，只是原子之間沒(méi)有看不見(jiàn)的結(jié)合，它們不是結(jié)合在一起，而是固定在一起。鉆石和石墨都具有三維結(jié)構(gòu)，盡管它們是完全不同的：在鉆石中，原子緊密地結(jié)合在三維四面體中，而在石墨中，原子緊密地結(jié)合在二維層中。

而石墨烯是單層石墨。它的晶體結(jié)構(gòu)是二維的。換句話說(shuō)，石墨烯中的原子是平坦放置的，每一層石墨烯都是由碳的六邊形“環(huán)”制成的，從而呈現(xiàn)出蜂窩狀的外觀。由于這些層本身只有一個(gè)原子高度，因此需要堆疊約300萬(wàn)個(gè)才能將石墨烯制成1毫米厚！

所以擁有一個(gè)原子厚度的石墨烯注定是很輕的一種物質(zhì)，很顯然我們可以把1克的石墨烯分布開來(lái)，足足可以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)大小的面積，盡管沒(méi)有人這樣做過(guò)，但我們可以做一個(gè)計(jì)算，如果將石墨烯覆蓋我們的整個(gè)國(guó)土面積，也只需要2000噸而已。

石墨烯被認(rèn)為是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)固的材料

石墨烯的特點(diǎn)強(qiáng)度：石墨烯比鉆石的硬度更強(qiáng)！石墨烯被認(rèn)為是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)固的材料，比鋼強(qiáng)200倍。值得注意的是，它既僵硬又有彈性，因此您可以將其拉伸到驚人的程度（原始長(zhǎng)度的20%到25%）而不會(huì)斷裂。那是因?yàn)槭┲刑荚拥钠矫婵梢韵鄬?duì)容易地彎曲而不會(huì)分裂。我們可以使用這一特征用其制造復(fù)合材料，用于汽車制造，以及其他用途，可以更環(huán)保更節(jié)能。

石墨烯形貌表征。

電導(dǎo)率：石墨烯電池大家肯定聽說(shuō)過(guò)，它就是利用了石墨烯的電導(dǎo)率，因?yàn)槭┑谋馄搅呅尉Ц駥?duì)電子的阻力相對(duì)較小，電子可以快速、輕松地通過(guò)電子，甚至比一些超導(dǎo)體載流性能都更好，根據(jù)其超好的防滲透特質(zhì)與體積結(jié)構(gòu)，電池將做得更小，存電量更多，相比普通鋰電池更具環(huán)保性。

電子特性：電導(dǎo)率只是以相對(duì)粗糙的方式將電從一個(gè)地方“運(yùn)送”到另一個(gè)地方。石墨烯可以搭載操縱帶電的電子流，如果處理器用上了石墨烯，電子像光子一樣穿過(guò)石墨烯，速度更快，或許我們能更快速地發(fā)展到6G時(shí)代。

光學(xué)性質(zhì)：通常，一種物體越薄，它越可能是透明的，石墨烯也一樣，只有一個(gè)原子厚的超薄石墨烯幾乎完全透明，它的透光率約97%～98%。但是我們要記住石墨烯也是一種神奇的電導(dǎo)體，我們可以結(jié)合這一性質(zhì)，制作出既是窗戶玻璃又能發(fā)電的環(huán)保材料了。

自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由單層原子組成的二維材料引起了人們的極大關(guān)注。它們具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，如高導(dǎo)電性、柔韌性和強(qiáng)度，這使它們成為激光、光伏、傳感器和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域很有前景的材料。當(dāng)一張二維材料被放在另一張上并稍微旋轉(zhuǎn)時(shí)，扭曲可以從根本上改變雙層材料的性質(zhì)，并導(dǎo)致產(chǎn)生奇異的物理行為，比如高溫超導(dǎo)等。

非線性光學(xué)（激發(fā)激光和數(shù)據(jù)傳輸）以及結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑性（一種新發(fā)現(xiàn)的機(jī)械特性）研究人員才剛剛開始了解。對(duì)這些性質(zhì)的研究，催生了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，被稱為扭轉(zhuǎn)電子學(xué)，之所以這么叫，是因?yàn)樗桥で碗娮訉W(xué)的結(jié)合。阿爾托大學(xué)科學(xué)家與國(guó)際同行合作，首次開發(fā)出一種在足夠大的尺度上，制作這些扭曲層的新方法，其研究發(fā)表在《自然—通訊》期刊上。

鏡像對(duì)稱 MATTG 中的電子結(jié)構(gòu)與強(qiáng)超導(dǎo)性。圖片|Nature

那么怎么能把單層石墨弄出來(lái)呢？先別想那么多，先盡量把石墨弄薄再說(shuō)，于是他們采用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的辦法，就是用膠條粘。

研究轉(zhuǎn)移單原子層二硫化鉬（MoS2）的新方法，使研究人員能夠精確控制面積高達(dá)1平方厘米層之間的扭曲角度，使其在大小上打破紀(jì)錄，而層間扭角的大范圍控制，是扭轉(zhuǎn)電子學(xué)未來(lái)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。研究的主要作者之一、阿爾托大學(xué)杜羅軍（音譯）博士說(shuō)：該扭曲方法使我們能夠在比以往更大的范圍內(nèi)，調(diào)整堆疊多層二硫化鉬結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，扭曲方法也可以適用于其他二維分層材料。

全新研究領(lǐng)域的重大進(jìn)步

由于扭振研究是在2018年才引入的，在扭曲材料走向?qū)嶋H應(yīng)用之前，仍然需要基礎(chǔ)研究來(lái)更好地了解它們的性質(zhì)。沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)是最負(fù)盛名的科學(xué)獎(jiǎng)之一，頒發(fā)給了他。今年，拉菲·比斯特里策、巴勃羅·賈里洛-赫雷羅和艾倫·H·麥克唐納因他們?cè)陔p曲電子學(xué)方面的開創(chuàng)性研究而獲獎(jiǎng)，這表明了這個(gè)新興領(lǐng)域有改變游戲規(guī)則的潛力。以前的研究已經(jīng)證明，通過(guò)傳送法或原子力顯微鏡針尖操縱技術(shù)，可以在小范圍內(nèi)制造出所需的扭轉(zhuǎn)角度。

樣本大小通常在10微米左右，小于一根頭發(fā)的大小，研究還制備了較大的幾層膜，但層間扭轉(zhuǎn)角是隨機(jī)的?，F(xiàn)在，研究人員可以使用外延生長(zhǎng)方法和水輔助轉(zhuǎn)移方法來(lái)生長(zhǎng)大尺寸薄膜。由于在轉(zhuǎn)移過(guò)程中不需要聚合物，樣品的界面相對(duì)干凈。通過(guò)控制扭角和超凈的界面，研究人員可以調(diào)整物理性質(zhì)，包括低頻層間模式、能帶結(jié)構(gòu)以及光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，而且這項(xiàng)研究對(duì)于指導(dǎo)基于二維材料雙向電子學(xué)的未來(lái)應(yīng)用具有重要意義。

盡管石墨烯的這些特征已被證實(shí)，但是還需要解決很多技術(shù)難題才能投入生產(chǎn)使用，可以肯定的是石墨烯是一種環(huán)保節(jié)能材料，對(duì)我們的環(huán)境有著莫大的提升與改造，相信不久的將來(lái)一大部分是石墨烯參與的格局。

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