前言

21世纪的“万能新材料”

你可曾设想过人类会发现一种极尽纤薄的材料，这种材料不仅拥有良好的导电性能，而且足以支撑数百万倍于其自身重量的负载，同时兼具出色的渗透性能，可以高效过滤最为污浊的浑水？你是否能够想象，构成这种神奇材料的元素竟然与随处可见的铅笔芯所含的元素完全一样？

这种名为石墨烯（graphene）的奇特材料并非科幻小说中虚构出来的东西。越来越多的科学家正在加入石墨烯的研发队伍，致力于在21世纪下半叶，使其成为一种重要的支撑技术材料。而热忱的创业者和企业家们则更加迫不及待，他们期待石墨烯能够在十年内得到广泛应用。这真的有可能吗？

石墨烯可谓简单而不失精妙。它是由单一的碳（Carbon）元素，通过一种化学键形成的。石墨烯的制备过程看似简单，但对于化学家和物理学家而言，这种材料的制备方法仍如同尊贵的“圣杯”般得之不易。

尽管科学家已经拓展了元素周期表，使其不止包含地球上的近百种天然元素，也绘制出了浩瀚的天文星系图，甚至完成了人类基因组测序，但这种仅用C便可表述的材料，却仍然是尖端科学领域中科学家孜孜以求的远大目标。为什么会这样？主要是因为石墨烯很“善于隐藏自己”。直到过去二十年间，那些在其发现过程中起到决定性作用的技术和仪器才日趋成熟。

碳是构成石墨烯的唯一元素，在我们身边随处可见。这种元素在整个宇宙中含量非常丰富，在所有元素中排名第四。当谈到某种材料时，多数人都会想到构成这种材料的原子和分子，其中分子是由特定种类和数量的原子构成的。但对石墨烯而言，碳原子的数量多少并不重要。真正使石墨烯区别于金刚石和石墨等其他纯碳材料，进而表现出自身特性的关键在于碳原子间的结合方式。

从原子层面观察，单层石墨烯看起来就像是一个由六边形单位构成的铁丝网围栏，每一个碳原子构成了六边形的每一个顶点。这种六边形的分布方式使石墨烯中的众多碳原子能够分布在一个平面上，并赋予石墨烯震撼人心的强大特性。

石墨烯的这种特性不可小觑。作为化学界中的“另类”，石墨烯拥有扁平的二维分子结构，因此单层石墨烯只有一层原子那么厚。如此单薄的架构也许会立刻令你对石墨烯的结构稳定性产生怀疑，然而这种由六边形碳原子彼此结合形成的结构，却使仅有一层原子那么厚的石墨烯材料格外强韧。

对石墨烯的合理应用是21世纪后半叶材料技术革命的关键所在，但我们将为此付出怎样的代价呢？谢天谢地，这次我们无需付出沉重的环境代价。石墨烯与现代科技离不开的另一核心要素稀土金属（rare-earth metal）之间存在一个重大区别。今天，钽（Tantalum）、钕（Neodymium）、镧（Lanthanum）等稀土金属已经融入了我们的生活，被广泛应用于从智能手机到化学药品的诸多产品中。

与稀土金属不同，发现和分离石墨烯既不需要大批的劳动力，也不需要重型设备或者排成长龙一般装满污染性溶剂的大桶。原因很简单：构成石墨烯的元素碳在我们身边随处可见。现在最常见的石墨烯制备原料是矿采石墨。与稀少难得的稀土金属不同，石墨烯在我们日常生活中的普及应用并不取决于原材料的获取能力以及由其引发的大国纷争，而是取决于专业知识的积累，相关的专利技术将成为决定胜负的关键所在。

也许就在今天，就在刚才，你已经合成出一些石墨烯了，只不过合成出的量非常非常小罢了。当你用铅笔在笔记本上写下本周的购物清单时，在手和指尖施加的压力下，不起眼的石墨就会被转变为数层石墨烯。然而，如果石墨烯的制备方法如此简单，而且在生物体中，构成石墨烯的唯一成分碳扮演着比氧（Oxygen）、氮（Nitrogen）、氢（Hydrogen）等元素还要关键的角色，为什么石墨烯到21世纪的今天，才成为人类寻求破解的前沿课题呢？

这个问题的答案正是我们想要在本书中讲述的内容。石墨烯的故事是一个有关意外发现的故事；也是一个企业和政府竞相投入数十亿美元资金，支持科技研发的故事（尽管这种材料距离进入寻常百姓家仍需时日）；同时还是一个有关新材料的故事，这种材料不仅将使我们有能力创造出全新的事物，还将颠覆我们创造新事物的方式。

此前的技术革命教会了我们许多事情。每一种新发现都将我们引领进了全新的实验领域，深化了我们对自身能力的理解。化学电池使我们能够存储能量，以备未来使用（例如夜间照明）；蒸汽使我们能够产生巨大的能量，足以完成任何人畜都无法完成的任务。而石墨烯引发的新革命将助力我们摆脱金属线缆的束缚。

如果你对科学、经济、历史，或这三大学科的交叉领域感兴趣，那么你多半会喜欢这本书。如果你对石墨烯已经有一些了解，那么你也许会感到奇怪，想知道为什么这项新发现会和历史扯上关系，又是如何扯上关系的。毕竟，作为一种代表未来趋势的新材料，石墨烯见诸各大新闻报道也不过是近十年的事情。

至少从20世纪50年代起，人们便开始尝试从地下开采石墨，将其转化为“黑色黄金”。然而，这种努力50年来却持续遭遇到来自石墨的阻力，仿佛石墨迟迟不愿透露自己保守已久的秘密。当科学家最终从石墨中分离出石墨烯并对其进行检测时，物理学家和化学家们都为自己的发现感到震惊。然而，发现石墨烯的这段历史并非一帆风顺，而是可以一直追溯到1859年的英国。英国在历史上素来以碳闻名，因此由这个国家来见证单层石墨的诞生也就顺理成章了。

2010年，两位英国科学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。世界各国的科技杂志纷纷欢呼，认为基于这种只有原子级厚度，碳原子排布规整的“神奇材料”，一个全新的时代即将来临。凭借极高的强度和低到令人不可思议的电阻，石墨烯仿佛为当代的科学家们轻轻挑起了一层幕帘，使他们得以远远地窥见一丝奇迹的曙光。

随着这层幕布被拉开，我们已经做好了对各类产品的设计和制造进行根本性变革的准备工作，从汽车到疫苗，从食品包装到宇宙飞船，无所不包。

这种新材料的经济潜力将难以估量。由于其原子结构极尽纤薄，因此石墨烯可以被无缝嵌入任何现代产品中，发挥各种显著的功效。然而，早期进入该领域的投资者们早已赔得血本无归。一方面，企业家们对石墨烯产品的前景夸夸其谈；另一方面，企业家推出的产品的性能却又不尽如人意（尤其是类似塑料的复合物），向产品中加入石墨烯后产生的功效远不及因此额外增添的成本。有的产品甚至只是以石墨烯为推销的噱头，添加的根本不是石墨烯，纯属招摇撞骗。

随着生产方法的进步，石墨烯的产量正在不断增加，质量也越来越好，我们也终于开始看到石墨烯真正可以带来的益处。世界各国给予石墨烯项目的政府支持正屡创新高，可以说，谁能够找到大批量生产高纯度石墨烯的方法，谁就能在世界舞台上获取巨大的经济回报。