|
中国有机古话：“物极必反”。这个现象在石墨和石墨烯上得到验证。学过材料的都知道石墨是单层碳原子网格层状结构叠加构成的，而石墨烯就是单层碳原子网格。我们从小学自然课本就学习到自然界最软的物质是石墨，石墨因为是层状结构，层与层之间的作用力很弱，紧靠范德华力结合在一起，所以石墨成为自然界最软的物质。人们一直以来认为单层的石墨物质不能在自然界稳定存在，因为他只有一个原子层厚度，根据传统理论，如果存在单原子层的材料，根据吉布斯自由能原理，那么其表面能将非常巨大，单原子层材料必将扭曲重新聚合在一起。 2004年，这一论断被科学界所打破，俄罗斯籍学者安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在英国通过最原始的方法，通过透明胶布反复粘贴铅笔芯的方法，把单原子层的石墨烯片从石墨中提纯出来。他们的发现打破了吉布斯自由能理论在石墨烯上的误区，在理论上具有较大意义，因此获得2010年诺贝尔物理学奖，打破了诺贝尔奖获奖最短时间记录。 后来科学研究发现，石墨烯这种材料是我们人类已知材料中强度最大、最硬的物质。从石墨的自然界最“最软物质”，到石墨烯的“最硬物质”竟然离的如此之近，这反而印证我国那句古话“物极必反”的道理。从这里可以看出，西方看似复杂的科学理论，在我国传统哲学里面早都给出了答案。 我们知道自然界各种各样的植物、动物都以碳为基本元素，这是因为碳具有丰富的化学性质，便于构造各种各样的化学物质。正因为碳的存在，自然界才有各种各样的植物和动物，才有如此丰富多彩的自然世界，可以这样说我们的文明就是建立在碳为基础的碳基文明。然而近代以来，由西方社会引发的科学革命对物质的认识和利用并非从碳开始的，而是是从重金属镭开始的。 19世纪末，当牛顿和伽利略等人建立了以万有引力理论为主的力学体系，法拉第和麦克思维等人建立了电磁场理论体系，玻尔兹曼等人建立了热力学体系后，物理学界基本完成人类常规尺度的理论体系构架。当物理学界为此欢欣鼓舞的时候，认为物理学即将完结的时候，居里夫人发现镭，并由此引发光电效应、黑体辐射等问题成为物理学界的两朵乌云之一（另一朵乌云是证明以太假说的克尔逊-莫雷实验）。正是物理学界对这“两朵乌云”的深入研究，人类对物质世界的认识从常规尺度分别向宏观和微观迈进，并因此建立了以量子力学为主的微观物理学体系和以相对论为基础的宏观物理学体系。 量子力学的出现加大的促进人们对物质世界的认识，人类对物质的认识深入到原子尺度，人类根据此理论对分别对重元素和氢元素进行研究，发明了镭元素为核心的核弹、以氢为基础的氢弹。从此，人类对物质的认识从分别从高原子和轻原子两头开始，逐渐向中间元素聚拢。 后来人类对硅（Si）原子的原子尺度的深入研究，发明二极管，并因此发明了计算机从而引发计算机革命，后来互联网的出现，人类由此进入信息文明时代，可以这样说目前的信息文明是建立在硅基的基础上。目前，我们已经处于信息文明的末端，随着移动互联网和智能手机的发明的出现和大规模应用，信息文明即将迎来最辉煌的高潮。这个世界上，高潮也意味着结束，在未来的若干年以后，随着信息文明的谢幕，人类将回到最初构成人类本身的碳基文明时代及绿色文明时代。 目前，构筑现代社会的基本元素都非碳基。最早建立汽车、轮船、钢铁等工业生产体系都是以金属Fe为主的金属元素，后来建立的飞机产业是以Al元素为基础，建筑业常用的水泥、砖等都以硅元素为主，现代建筑业是钢铁和水泥的堆积，则是以Fe和Si元素的结合，计算机、光纤是建立的Si元素的基础上，最近锂电池材料是以Li元素的基础上，现在人们常用的智能手机则是Si和Li元素的结合。从中可以看出越是先进、出现较晚的物质或工具，其构成物质元素离C越近。 人类劳动工具的进化史：石器木材--->机械金属--->光纤电缆--->石墨烯 碳是构成生物界的最基本元素，研究天文学都知道，宇宙中各种天体中碳元素是如此的少，在除地球之外的其他星球中很难找不到碳元素，这使得寻找外星文明的过程变成寻找碳元素的过程。以前人们认为，恒星核聚变是产生碳元素的主要原因，但最近的研究表明碳-12的合成非常困难，还带有很大的偶然性。所以宇宙中C元素如此的少，导致人们认为碳是上帝赋予的。实际上，碳是宇宙中最珍贵、最神秘、最富灵性的元素。正是地球中有了C的存在，才有生命的可能。只有C元素构成的生物界的才有自组织能力，其他元素都是逐渐从有序变成无序，生物界才可以完成把物质从无序转变成有序。因此历史注定由碳元素完成最后一次科技革命的飞跃。 目前，构筑人类社会现代社会的各种工业产品，如汽车、飞机、电脑、手机高层建筑等都不是建立在C的基础上，都是无机物。这些无机物都必须从自然界各种矿物中提纯，而提纯这些无机物需要浪费大量的能量，现在这些能量主要来自于地球以往存储的化石燃料，随着化石燃料的枯竭，人类的文明将无以为继。化石燃料的燃烧也带来了越来越多的环境问题，人与自然界和生物界的矛盾越来越大，我们不仅要问人类将走向何方，如何才能找到一条可持续的发展之路。回答这些问题的答案可能就在我们的生物界里，生物界的各种植物，只要利用光合作用便可以合成自身所需要的所有物质，这种高效率的能量利用方式值得我们借鉴。人类什么时候能够像植物那样灵活运用碳元素的特性，合理控制光合作用，那将是人类向高级文明进步的阶梯。 目前出现的太阳能发电装置、风能发电装置都不尽人意，不经利用效率低，而且制造这些零部件所耗费的能源可能远大于这些零部件在其生命周期所发的电能，这意味着以目前的风能和太阳能发电装置推广意义并不大，这些并不能代表未来绿色科技文明的发展方向。另一方面，尽管目前建立在硅基础上的计算机非常发达，但目前计算机芯片面临着不能于人体大脑结合的瓶颈，这意味这我能创造的各种工业品只能是工具，都是身外之物。这不符合中国关于“天人合一”哲学体系，把人与物割裂开来，未来世界，我们用的各种工具必将朝着与人体相融合的方向发展，这才是人类的最终归宿。 目前，人类正处于回归C基文明的前夜。现在，随着移动互联网，物联网等信息文明最高级形式的到来，建立在硅基文明上的信息文明慢慢走向谢幕。我们将迎来建立在C基础上的高级文明。我们将能够控制物质的合成，我们可以随心所欲根据需要合成人类所需的大多数材料，在新的文明里，我们的能源不再用化石燃料，我们将植物进行光合作用那样，高效获得能源。我们能够与自然界和谐共处，我们制造的工具都是C材料，人与机器的融合将达到全新的高度，人类的能力将被无限放大。 石墨烯的发现是解开人类进入高级文明的一把最好的钥匙。人类对材料的认识都是从宏观到微观的深入，对微观物质的认识越深刻，人类的进步也就越快。 近代计算机芯片的出现，正是由于量子力学的出现，人类对硅基材料深入到原子级别，芯片才得以发明，人类才能迈进信息文明的伟大时代。目前，建立硅基础的芯片越来越暴露其缺陷性，我们的CPU芯片很难在超过100℃下使用，我们不得不想各种方法来给芯片降温，随着计算机频率的提高，硅基的计算机芯片将离其理论峰值越来越近，也就是我们计算机性能在原有硅材料已经不可能有大的提高了。例如，目前我们只能利用多核CPU的增加运算性能。C材料的稳定性远高于硅材料。石墨烯的熔点高达3000多度，这意味着未来如果以石墨烯制成芯片将不用再担心散热问题，石墨烯的导电性意味着更少的发热，高导热性意味更好散热能力，这一切都预示这新一轮计算机文明即将到来。 石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。 石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯是人类首次制造出可以稳定存在的原子级材料，石墨烯只有一个原子层厚，人类首次真正可以和原子打交道，这种物质是人类叩开微观世界大门的钥匙。石墨烯也是最简单的原子级别的碳材料，正因为简单，所以才容易理解，人类对物质的认识都是从最简单的开始的，逐渐深入进去的。自然界恐怕很难找到像石墨烯这样简单可以稳定存在并被分离的原子尺度的物质，石墨烯的特殊性就像上帝故意留给人类超越自身局限性的bug。对石墨烯基础性的原子级别研究，将引发人类对物质世界的新认识，人类也将可能因此实现对物质的进行原子尺度的构造的新篇章。 在未来，人们可能会像动植物制造蛋白质那样精确构造自己想要的物质，如叶绿素等，这也将必然引发新的能源革命。我们未来的许多工业体系必将因此改写。石墨烯是伟大不仅从中国传统哲学可以看出，也可以从科技技术发展史可以看出。未来社会将是以碳基材料为基础的绿色高级文明，目前正处于硅基文明的末端和人工智能的初期阶段。未来将迈向碳基文明（包括生物科技文明）及人工智能的结合阶段，人类将摆脱环境和资源的束缚，实现稳定的可持续发展。 石墨烯的曙光已经显现，最近石墨烯制造的电池可以实现一分钟充电，石墨烯折角后产生常温超导效应，石墨烯制造的CPU也即将变成现实，这都是黎明前的曙光。石墨烯改变不是一个领域，而是整个社会，整个工业体系的变革，随着石墨烯研究的深入，我们必将迎来全新的绿色高级文明。 |
|
|
