2008年1月7日
生而不凡的石墨烯
石墨烯虽然与石墨、金刚石同族，都是由碳原子组成的，但它生而不凡，不仅面貌迥异，性质也完全不同。最大的特点是，它由单层碳原子组成，碳原子像蜂巢那样组成六角形的网格，整齐而有序地沿着二维延展开来，如图1所示。正是由于有序的二维结构，使它所具有的奇特物理、化学和电子学特性令人叫绝。
图1
石墨烯是与生俱来的，只不过平时被胡乱地叠合在一起，使其外观变成一块黑不溜秋、样子“呆钝”且毫无生气的石头，人称石墨（图2）。人们把石墨用作润滑剂、制造成铅笔芯，殊不知，却有稀世珍宝——石墨烯隐藏在其中。
图2
在五花八门的材料世界中，因为石墨烯拥有很多的“最”，使它成为“材料之王”：它是最薄的材料，只有一个原子厚，1毫米厚的石墨大约含有300万层石墨烯，一张普通的纸，就有10万层石墨烯厚，用铅笔在纸上轻轻一划，留下的铅笔痕就有几层石墨烯；它也是最强韧的材料，其抗断裂的强度比最好的钢还要高出200倍；它具备最好的弹性，拉伸的幅度达可以达到自身尺寸的20%，一小粒质量不足1毫克的石墨烯，展开后的面积达1平方米，用它做吊床，可以承载一只猫的重量（图3）；石墨烯的柔软度超过橡胶，可以任意弯曲而不易折断；石墨烯是最透明的材料，几乎能百分之百毫无吸收地透光，但它又非常致密，即使最小的气体分子氦原子，也无法穿透；它的导电性最好，电子在其上可以像“幽灵”般地穿行，由于极少碰撞，速度可达到光速的1/300；更难以想象的是，虽然石墨是最软的矿物质，莫氏硬度只有1～2级，它却“绵中藏硬”，隐在其中的石墨烯的硬度达到莫氏硬度10级，竟然超过了金刚石！除此以外，它还具有多种优良的光敏、热敏等半导体特性。
图3
石墨烯将最薄、最坚硬、导电导热最强、最有弹性和韧性、最透明、最致密等极端特性集于一身，给现今的各个技术领域带来了发展的希望，因而被称为“稀世黑金”。科学家预言，石墨烯的问世将“彻底改变21世纪”。这一奇特材料公之于世的时间是2008年1月7日。
提起这一发明倒真是一件趣事。2004年，英国剑桥大学有两位俄罗斯裔的英国物理学家科斯提亚·诺沃舍洛夫博士（图4）和安德烈·盖姆教授（图5）正在研究石墨烯。盖姆把一大块高定向的热解石墨和一台高级抛光机交给了一位博士生，希望他制备出尽可能薄的膜。3个星期后，这位博士生交上了一块，有10微米厚。盖姆问他，能不能更薄，这个留学生博士说，那他只能自己试试了，盖姆就自己做了。
图4
图5
盖姆和诺沃舍洛夫想出了一个非常神奇的办法，先强行把石墨分离成较小的碎片，再从碎片中剥离出更薄的石墨薄片，然后用塑料胶带粘到薄片的两侧，撕开胶带，薄片被一分为二，就这样一直粘下去再撕开，一遍遍地做下去（图6）。如果换其他材料，这样做肯定不能制成薄膜，但石墨烯具有惊人的韧性，即使分离多次，它的晶体结构依旧完整，这就保证了他们最后的成功，获得了只有一个原子厚的石墨烯。这种给未来世界可能造成颠覆性影响的材料，竟然在一开始是用普通的胶带“粘”出来的！
图6
这种世界上的最薄材料真是令人惊喜不已，它几乎为所有的技术领域都开启了新的方向。西班牙石墨烯纳米公司与科尔瓦多大学合作，研制出首例石墨烯材料电池，其储电量是目前市场最好的产品的3倍，用此电池提供电力的电动汽车，最多能行驶1000千米，而其充电时间不到8分钟，最重要的是成本比锂电池低77%，使用它们，手机充电只需几秒钟；利用石墨烯的超透明和超致密性可以制造触摸显示屏、发光板和太阳能电池板，开发光驱动飞行器；在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具有很好的导电性，加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性提高30摄氏度，在此基础上，制造出超薄、超轻且具有拉伸性、超韧性和隔热性的新型材料，可用于制造飞机、汽车和卫星；中国的科研人员发现细菌在石墨烯上无法生长，而人类的细胞却不受损，利用这一点，可以制造绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫；更为神奇的是，石墨烯是一种光敏材料，南开大学一个联合科研组通过3年研究，获得一种利用光照即可获得动力的石墨烯材料，这是迄今为止，科学界首次实现光对宏观物体的宏观驱动，这一成果一经刊发，立刻引起国际科学界的关注。
更叫人惊喜的是石墨烯的电子特性，由于电子在石墨烯平面上的迁移速率是传统硅半导体材料的数十到上百倍，这一优势使石墨烯很可能取代硅，成为下一代超高频晶体管的集成材料，以此为基础，制成性能更加优良的新型纳米电子器件，尤其是分子晶体管。如果制作成功，不仅朝着超小型集成电路的方向上迈进了一大步，也能使已经适用了长达40年的摩尔定律再度起死回生（参见本书4月19日“1965年惊人的摩尔定律”）。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会提高数百倍，因此成为未来超计算机的首选材料。天生我材必有用，石墨烯的这些特性注定要给诸多产业带来翻天覆地的变化。
更出乎意料的是，石墨烯给基础理论的研究也带来了意外的惊喜。由于石墨烯是二维材料，它的第三维已经进入到了量子尺度，这一奇异性非同小可。在这以前，大多数物理学家都认为，由于热力学无规则的涨落现象，除非在绝对零度，不允许有任何晶体能在某一维上进入量子尺度却仍然保持独立而稳定，石墨烯的出现，挑战了这一结论，立即震撼了凝聚态物理学术界。实验发现，在石墨烯平面上，电子的物理行为也与在一般三维块状材料中的截然不同，有些性质无法适用传统的物理规律，必须运用相对论量子力学阐释，因此石墨烯材料又为相对论量子力学提供了很好的研究平台。然而在过去相对论量子力学的研究只能从高能宇宙射线粒子或高能加速器中进行，如今却可以在普通的实验室的常温环境下进行了，这一效果能引发出一系列大课题的理论研究。
做出石破天惊的这一大发现之后，盖姆和诺沃舍洛夫又以亲手制作的石墨烯为原料，把石墨烯制成只有1个原子厚、10个原子宽的薄膜带，成为世界上最薄的“纳米带”。经他们测试，发现这种材料具有多种特殊性质，尤其是具有极为特殊的波谱特征。他们认为，这是制作单分子晶体管的首选材料，并首次为单分子晶体管起名叫做“量子点”。在随后的3年里，盖姆和诺沃舍洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应，随即又发现了常温条件下的量子霍尔效应，使过去只能“纸上谈兵”的量子效应如今可以通过实验验证。2008年1月7日他们将这一成果以“石墨烯纳米带：多体效应的功能”为题，发表在《物理评论》杂志上。
由于石墨烯材料的发明，以及相关量子效应的发现，诺沃舍洛夫和盖姆获得了2010年诺贝尔物理学奖。图7是盖姆在2010年12月10诺贝尔颁奖晚宴上做获奖演讲。
图7
石墨烯的发明将改变21世纪的科技，但获得诺贝尔奖的诺沃舍洛夫和盖姆看待这件事却很平淡（图8），因为他们从心底里知道，这项成果仅仅是在实验室内完成的，真正做到实用，适用于大规模生产，用“胶带”的办法是行不通的。诺沃舍洛夫更坦率，他说这一发现是在“一个周五的下午”，他与盖姆几乎是“边玩边干出来的”。诺沃舍洛夫还说：“几乎每一个人都可以做这件事，这就是为什么这项技术推广之快、传播之广的原因。”
图8
既然每个人都可以做，为什么这个神奇的东西早就从理论上预言，却时隔几十年，由他们所发现呢？英国石墨烯研究中心主任埃兰·尤舍尔说：“他们的获奖，一点也不出乎人的意料。从20世纪30年代开始，经过了几十年，石墨烯早就吸引人们的注意了，人们反复从理论上探讨它，却都预言它不具有稳定性，只在理论上对它感兴趣，却从没想过亲手去试试。但是盖姆和诺沃舍洛夫却不这样看，他们不完全相信理论的预言，决定自己去试。2004年，他们在偶然间发现了一个简单易行的办法，并想到用一种简单的“胶带法”就把这个奇特的发现做出来了，这样的科学家是真正值得认可的。”而由胶带“粘”出来的单分子石墨烯层这一奖项的价值就是1000万瑞典法郎。
现在，石墨烯作为材料科学的超级明星，已经引发了世界的研究热潮，全世界正在花费上亿资金用于这项研究，围绕着它已经有7000个专利正在登记。在全球石墨烯热中，剑桥大学建立了剑桥石墨烯研究中心，投入资金为4000万美元。欧盟更准备在未来的10年计划中正式建立欧洲“石墨烯谷”。中国也是研究石墨烯最为活跃的国家之一，所拿到的专利项目达到了2204项，而IBM有134项，英国作为首先发现石墨烯的国家，才只有54项。中国科学院物理研究所正在与丹麦哥本哈根纳米科学中心合作，利用石墨烯的独特性能，在其上植入单分子晶体管制成的电脑芯片。这是一种“三明治”结构的器件，由一层金、一层分子晶体管和一层超薄石墨烯组成，这种微型结构没有采用传统的重金属和稀土材料，价格将大幅降低，同时也有利于环保，这一设计目前还正在研发当中。
诺沃舍洛夫和盖姆开创了从石墨烯到分子晶体管的发展道路，但是，要想得到电学和机械性能良好的石墨烯样品，并不像诺沃舍洛夫所说“玩似的”那么简单。这条道路看似容易，却充满着荆棘。石墨烯具有奇妙的特征，却也是一个诱人的陷阱，像石墨烯这一具有革命性的新材料，其发展需要长期的资本投入，才能创建完整的价值链和实现与应用领域终端市场有效的对接。为了从实验室走向批量生产，目前人们想出来各种制备石墨烯的办法，如液相剥离法、化学气相沉积法、化学还原法等，但是迄今为止，还没有一种能成为适合大规模生产的技术。除此以外，生产过程的环境污染也是一个潜在的难题。在从实验室扩展到工业应用上，在电子元器件的超小型化上，在芯片线条达到纳米数量级克服量子效应上，还有一条很长的路要走，还有许多工作要做。
关键词：科斯提亚·诺沃舍洛夫，安德烈·盖姆，石墨烯，Kostya Novoselov，Andre Geim，graphene
图1：http://www.telegraph.co.uk/technology/news/9802050/Graphene-research-moving-abroad.html
图2：Tema en ‘Foro de Tecnología’ iniciado por el porqué de las cosas, 29 Dic 2013
图3：http://s00.yaplakal.com/pics/pics_original/2/0/1/2301102.png
图4：http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/people/academic/geim/
图5：（略）
图6：http://library.ndsu.edu/grhc/outreach/friends/acknowledging.html
图7：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-speech_en.html
图8：http://www.rsc.org/chemistryworld/Issues/2010/November/GrapheneScoopsPhysicsNobelPrize.asp