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本文作者 林强，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生 我们几乎每个人都用过胶带，或是用来把东西粘在一起，或是写错字了用胶带粘一下以便更正，或许我们还会用胶带来做出很多新鲜的花样，但英国曼切斯特大学的Geim教授和Novoselov教授却用胶带粘出了诺贝尔物理学奖，这究竟是一种怎样的体验？ 一、胶带粘出来的石墨烯 事情发生在2004年，两位教授用胶带粘在石墨（铅笔芯的主要材料就是石墨，不是铅哦~）上，然后撕下来，发现胶带上粘上了一层薄薄的石墨片，这本没有什么新奇的，但两位教授突发奇想，拿着第二片胶带去粘第一片胶带上残留的石墨薄片，此时两片胶带粘在了一起，然后再把两片胶带撕开，结果发现胶带上残留的石墨片变薄了。这时候很多人会觉得无聊，不就是撕胶带嘛，而这两位教授发现石墨片变薄后又拿着第三块胶带来粘第二块胶带上的石墨，再用第四胶带来粘三片胶带……就这样一次又一次的粘胶带，撕胶带，最终两位教授得到了薄得不能再薄的微小的石墨片，它仅仅只有一层原子的厚度，对，它就是单层的石墨，叫做石墨烯。 自2004年首次成功剥离出石墨烯以来，其令人惊叹的材料性质引起了近十多年来大量科学家的广泛研究，这两位教授也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。 颁奖词如是说（节选）： “我们对石墨烯了解已有很长一段时间了，早在1947年菲利普·华莱士便计算了石墨烯中电子运动情况，然而很少有科学家认为我们可以分离出单层石墨烯并测量其中的电子运动状况。因此，今年的物理学奖更显得令人惊讶，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫借助特殊的方法成功分离出薄层石墨烯，并在不同显微镜的帮助下发现有些片层是单原子级厚度。他们在石墨烯方面的“突破性实验”使得利用石墨烯生产新物质和新型电子产品成为可能。” 在单层石墨烯诞生以后，很多科学家都在积极探索能够生产更大规模和更高质量的石墨烯，除了用胶带粘以外，现在还有很多其它的石墨烯制备方法，如微机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法等。 二、石墨烯缘何迅速走红，风靡全球？ 那么，石墨烯的性质到底是有多强大，以至于现在学物理的、学化学的、学材料的、电气工程的、机械工程的甚至学生物的都在研究它？这跟石墨烯的结构和性质有关。石墨烯是由碳原子组成的，碳原子之间以正六边形的排布方式形成化学键，这种碳原子分布结构赋予了石墨烯很多得天独厚的性质。 第一，石墨烯具有超高的电子迁移率（对计算机运行速度起着非常重要的作用），是硅（现在的CPU（电脑中央处理器）材料）的200倍。 第二，石墨烯有着目前已知材料中最高的热导率（决定导热性能），它热导率是银的13到15倍，是铁的80到90倍，是水的8000到9000倍。 第三，石墨烯的断裂强度极高，是一般钢铁的200倍。 除此之外，石墨烯还有着很好的透光性和柔韧性，这些超凡的性能使得石墨烯成为了当之无愧的明星材料。 三、不负众望，石墨烯正在改变我们的生活 那有了这些卓越的性质之后，石墨烯可以用在什么地方呢？ 石墨烯有可能成为代替硅的超级材料，将有希望促进计算机硬件领域产生革命性的发展。我们知道硅是一种半导体，它是制造电脑CPU的材料。电脑及其硬件的尺寸在不断缩小，这得益于芯片越做越小。但由于硅材料本身的限制，理论上5纳米（1纳米等于千分之一微米，十亿分之一米）是它的物理极限，而事实上有限于工艺，以硅为基本材料的芯片只能做到7纳米就不能再小了，否则会损失相应的性能（如漏电）。而得益于超高的电子迁移率，石墨烯这个新兴的明星材料将有可能在微型电脑硬件中补偿硅的短板，将芯片做得越来越小，电子产品将越来越轻便，运行能力也会越来越强大。 石墨烯电子器件，白色比例尺为2微米 石墨烯优越的电子传输性能使得它还能应用在电池中，石墨烯在锂电池（广泛应用在手机、电脑等电子设备中）中已经有很多成功的应用，它可以作为电极的添加剂，增加电极的导电性，从而加快充电速度。此外，由于石墨烯具有很好的透明性，这使得它在光电器件中也有着很好的应用前景，比如现在太阳能电池的很多部分就用到了石墨烯，电子产品的柔性显示屏也多使用石墨烯。 石墨烯柔性显示屏 另外，石墨烯优越的电子传输性能还被应用到神经传导、类脑计算和人工智能研究和应用中。而它优异的力学性能使得它在复合材料中有些广阔的应用前景，超强石墨烯复合材料可以作为飞机的超薄超轻材料。 本文仅代表作者观点 |
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