石墨烯的特性
石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。
為了進(jìn)一步說(shuō)明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，我們先對(duì)相對(duì)論量子力學(xué)或稱量子電動(dòng)力學(xué)做一些了解。
經(jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)能量較低的電子遇到勢(shì)壘的時(shí)候，如果能量不足以讓它爬升到勢(shì)壘的頂端，那它就只能待在這一側(cè);在量子力學(xué)中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當(dāng)它遇到勢(shì)壘的時(shí)候，有可能以某種方式穿透過(guò)去，這種可能性是零到一之間的一個(gè)數(shù);而當(dāng)石墨烯中電子波以極快的速度運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘前時(shí)，就需要用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。量子電動(dòng)力學(xué)作出了一個(gè)更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)。
以下實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子電動(dòng)力學(xué)的預(yù)言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓(相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘)，然后測(cè)定石墨烯的電導(dǎo)率。一般認(rèn)為，增加了額外的勢(shì)壘，電阻也會(huì)隨之增加，但事實(shí)并非如此，因?yàn)樗械牧Ｗ佣及l(fā)生了量子隧道效應(yīng)，通過(guò)率達(dá)100%。這也解釋了石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性：相對(duì)論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。
另外，研究也發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)(約合37000千米)太空電梯可能成為現(xiàn)實(shí)。
石墨烯可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。
師生憑石墨烯研究 同獲諾貝爾獎(jiǎng)他們?cè)菐熒F(xiàn)在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，也曾一同在荷蘭學(xué)習(xí)和研究，最后他們又一起在英國(guó)制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個(gè)碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導(dǎo)體，石墨烯比目前任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好。 海姆和諾沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終會(huì)替代硅。 由于成果要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說(shuō)：“今天早上聽說(shuō)這個(gè)消息時(shí)，我非常驚喜，第一個(gè)想法就是奔到實(shí)驗(yàn)室告訴整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。”而海姆則表示，“我從沒(méi)想過(guò)獲諾貝爾獎(jiǎng)，昨天晚上睡得很踏實(shí)”。 海姆認(rèn)為，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的有兩種人：一種是獲獎(jiǎng)后就停止了研究，至此終老一生再無(wú)成果;一種是生怕別人認(rèn)為他是偶然獲獎(jiǎng)的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當(dāng)然我會(huì)像平常一樣走進(jìn)辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活。”
比鉆石還要堅(jiān)硬
硅片上有數(shù)千個(gè)肉眼看不見的小孔。科學(xué)家開始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，科學(xué)家花費(fèi)數(shù)天時(shí)間，希望能在硅片小孔上發(fā)現(xiàn)合適的單原子厚的石墨烯薄片。
一旦科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對(duì)它們進(jìn)行穿刺，從而測(cè)試它們的強(qiáng)度。讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯比鉆石還強(qiáng)硬，它的強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還高100倍!
美國(guó)機(jī)械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。
可做“太空電梯”纜線
據(jù)科學(xué)家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國(guó)研究人員稱，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)23000英里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)“石墨烯”完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線!
人類通過(guò)“太空電梯”進(jìn)入太空，所花的成本將比通過(guò)火箭升入太空便宜很多。為了激勵(lì)科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅(jiān)韌材料，美國(guó)NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。
代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)
不過(guò)據(jù)科學(xué)家稱，盡管石墨烯在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，但科學(xué)家可能仍然需要花費(fèi)數(shù)年甚至幾十年時(shí)間，才能找到一種將石墨轉(zhuǎn)變成大片高質(zhì)量石墨烯“薄膜”的方法，從而可以用它們來(lái)為人類制造各種有用的物質(zhì)。
據(jù)科學(xué)家稱，石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨(dú)一無(wú)二的特性，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。
