日前有消息稱，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)甚至汽車充電；國(guó)內(nèi)某上市公司也正在申請(qǐng)石墨烯電池專利。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，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。科學(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。