如果你曾用過鉛筆，那你很可能制造了石墨烯，這個(gè)世界上最薄的材料在我們生活中其實(shí)無處不在。

在很早期的時(shí)候就有人理論上就證明了石墨烯的存在，也有人在理論上得出了其優(yōu)異的特性。從 1859 年開始，科學(xué)家就嘗試使用不同的方法提取石墨烯，無論是物理方法還是化學(xué)方式，無一成功。直到 2004 年，曼徹斯頓大學(xué)的兩位教授安德烈·海姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）成功的將石墨烯從石墨中分離出來。

在石墨烯發(fā)現(xiàn)以前，研究者們普遍認(rèn)為單層石墨在室溫狀態(tài)是不能穩(wěn)定存在的。石墨烯的出現(xiàn)，無疑打破了人們的這個(gè)認(rèn)知。

那石墨烯到底是什么呢？

其實(shí)還是要從石墨說起，在義務(wù)教育階段，課本曾區(qū)分過碳的幾種空間結(jié)構(gòu)，即同一種元素組成的不同物質(zhì)。極具代表性的的三個(gè)物質(zhì)分別是金剛石、碳60和石墨。

其中的石墨就是層狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)層，是由無數(shù)的碳層重疊而成的。如果把其中的一層單獨(dú)拿出來，這個(gè)單層的碳原子就是石墨烯。

這個(gè)單層碳原子的結(jié)構(gòu)是六邊形的蜂窩，每一個(gè)頂角都是碳原子。這樣六邊形組成在了一起就形成了一個(gè)極為穩(wěn)固的平面。

研究者是怎么制備石墨烯的呢？

研究者在嘗試分離出單層石墨烯的過程中，使用了研究上常見的分離方法，如拋光、爆炸等等。常規(guī)的方法很難分離出石墨烯。在觀察石墨微粒的時(shí)候，研究者發(fā)現(xiàn)這個(gè)微粒接近有千層的厚度，怎么才能讓這 1000 多層都分離出來呢？

海姆就用了最「土」的辦法，用膠帶粘。膠帶每粘一次，就會(huì)有一些石墨層脫落，如果把膠帶對折，就會(huì)繼續(xù)分離一部分石墨層，如此往復(fù)，總會(huì)得到單層的石墨，也就是石墨烯。

這就是科學(xué)上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯的辦法，而后科學(xué)家就開始研究如何用其他的辦法合成石墨烯了。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了好十余種石墨烯的制備方法。而從 2004 年之后，這兩位研究者也引爆了全球?qū)κ┮约岸S材料的熱情。

那么石墨烯為什么備受關(guān)注呢？

因?yàn)槠浔憩F(xiàn)的特點(diǎn)極為優(yōu)異，就像一個(gè)在任意一門功課都遙遙領(lǐng)先對手的學(xué)生。

力學(xué)性能上，你可以把石墨烯想象成一張紙，紙張?jiān)跈M向拉扯的時(shí)候，很難直接撕裂；也具有可彎折的特性。石墨烯在微觀下也是這樣的，用強(qiáng)度衡量的話，石墨烯的強(qiáng)度是鋼鐵的 200 倍，比鉆石強(qiáng)度還高。同時(shí)還具有柔韌性，可以彎折。

導(dǎo)熱性能較好的金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大約在 300-400W/(m·K)，而單層石墨烯是它的十倍以上，超過了5000W/(m·K)。

由于石墨烯是單層碳原子組成的，單原子層的物質(zhì)不透明度都很低，其對可見光的吸收率僅為2.3%，換句話說石墨烯是一種接近完全透明的存在。但是如果你有一袋石墨烯的話，那就很可能不是透明的了。就像一層紙透光，一疊紙不透光一樣。

而共軛π體系帶來的電學(xué)性能更是驚人，其電子傳輸性能遠(yuǎn)超現(xiàn)在的任何一種材料，電子傳輸特性就是導(dǎo)電能力的代名詞，換句話說，其電阻值比任何材料都小。

除了導(dǎo)電能力之外，微觀上還有眾多的特性都遠(yuǎn)超其他材料。

但是石墨烯更重要的意義是，引起了人們對其他二維材料的探索，再此之前，人們對材料的探索一直停留在三維的階段，而二維材料的出現(xiàn)打破了這個(gè)牢籠。除了石墨烯之外，研究者們還制作出了黑磷、氮化硼、二硫化鉬等等不同的二維材料。

更可喜的是，把幾種不同的二維材料組合起來還會(huì)有更有趣的事情發(fā)生。二維復(fù)合材料的出現(xiàn)讓材料的特性更加多樣。

石墨烯有什么用呢？

石墨烯幾乎可以用在生活中的任何一個(gè)角落，從儲(chǔ)能器件，到現(xiàn)在的半導(dǎo)體技術(shù)，石墨烯都是可以改變的。還有材料的強(qiáng)度、需要柔韌性能的可穿戴設(shè)備、效率更高的太陽能收集設(shè)備、甚至是炊具都可以使用石墨烯來改變。

為什么現(xiàn)在用不上呢？

以其他材料為例，特富龍出現(xiàn)于上世紀(jì)的中期，而在大約 30 年后才開始普及。萊卡面料 1937 年研制成功，1959 年才開始生產(chǎn)，中間經(jīng)過了 20 多年的時(shí)間。不排除尼龍這種 1935 年發(fā)明出來，2 年后就開始出售的材料。但是絕大部分新材料的研發(fā)周期都很長，尤其是石墨烯這種二維材料，很難單獨(dú)做成物品，快速應(yīng)用更是困難。

所以石墨烯到底是什么呢？

石墨烯是二維材料的代表，石墨烯的出現(xiàn)其實(shí)意味著新紀(jì)元的出現(xiàn)。在材料的歷史上，從未有人真正的分離出單層石墨，也從未有人真正的去探究二維材料。

而石墨烯的出現(xiàn)引發(fā)了研究者們對二維材料進(jìn)行探究的熱情。這個(gè)啟發(fā)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了石墨烯材料本身的優(yōu)良性能。這也就是為什么在發(fā)現(xiàn)石墨烯之后，沒有馬上給研究者頒發(fā)諾貝爾物理獎(jiǎng)的原因吧。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

**本文作者趙蓋子，文章首發(fā)頭條，微信公眾號【烯引力】-不僅僅是石墨烯，烯引力致力于發(fā)現(xiàn)全球范圍的新材料趨勢。轉(zhuǎn)載請與微信號 t2ipo001 聯(lián)系，并保留本信息。未包含本信息的轉(zhuǎn)載將受到侵權(quán)投訴。