石墨烯，是一種由碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是包括富勒烯、碳納米管、石墨在內的碳的同素異形體的基本組成單元，就是石墨的單層薄片。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨幾乎是礦物質(zhì)中最軟的，但如果“切”成一個(gè)碳原子厚的薄片，“性格”就會(huì )發(fā)生巨變：重量很輕，強度、韌性、透光性及導電性卻是世界各種材料中的“冠軍”。石墨烯，是人類(lèi)已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。2010年10月5日，英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯（graphene）研究方面的杰出成就而榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯的發(fā)現： 2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等制備出了石墨烯。海姆 和他的同事偶然中發(fā)現了一種簡(jiǎn)單易行的新途徑。他們強行將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用普通的塑料膠帶粘住薄片的兩側，撕開(kāi)膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過(guò)程，就可以得到越來(lái)越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。據Geim說(shuō)，還有一個(gè)哥倫比亞教授也在同時(shí)研究石墨烯，他們是用“高科技”一點(diǎn)的方法——用AFM顯微鏡的原子鋼針甩一下石墨表面1-3個(gè)原子厚的地方，希望能帶下一些石墨烯，可惜計劃失敗，膠帶法贏(yíng)了AFM法。
石墨烯的結構：
石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結構非常特殊，必須用相對論量子物理學(xué)(relativistic quantum physics)才能描繪。石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì )因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。
石墨烯的特性： 石墨烯最大的特性是其中電子的運動(dòng)速度達到了光速的1/300，遠遠超過(guò)了電子在一般導體中的運動(dòng)速度，石墨烯具有許多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導電性、機械強度高、易于修飾及大規模生產(chǎn)等。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱(chēng)為“載荷子”，在一片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓（相當于一個(gè)勢壘），然后測定石墨烯的電導率。一般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會(huì )隨之增加，但事實(shí)并非如此，因為所有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應，通過(guò)率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。 研究也發(fā)現，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。美國哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)家最近發(fā)現，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。作為炭材料最小的構筑單元，二維大分子石墨烯在水油界面和催化劑作用下具有自組裝潛力。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線(xiàn)的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴”之門(mén)，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(cháng)（約合37000千米）太空電梯可能成為現實(shí)。石墨烯可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領(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。
石墨烯的硬度：
用原子尺寸的金屬和鉆石探針對只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片進(jìn)行穿刺后發(fā)現：石墨烯比鉆石還強硬，1克石墨烯可鋪滿(mǎn)一個(gè)足球場(chǎng)，韌性也令人驚訝，斷裂強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍！美國機械工程師杰弗雷·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。
石墨烯的制作方法： 石墨烯的合成方法主要有兩種：機械方法和化學(xué)方法。機械方法包括微機械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法；化學(xué)方法是化學(xué)分散法。最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來(lái)。2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì )產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。
石墨烯的未來(lái)：
地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱(chēng)是人類(lèi)已知的強度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線(xiàn)的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴”之門(mén)。美國研究人員稱(chēng)，“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星、長(cháng)達23000英里并且足夠強韌的纜線(xiàn)，美國科學(xué)家證實(shí)，地球上強度最高的物質(zhì)“石墨烯”完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線(xiàn)！人類(lèi)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。為了激勵科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線(xiàn)的堅韌材料，美國NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨一無(wú)二的特性，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料，使它在微電子領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。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)的超高速計算機，可以讓電腦開(kāi)機只需1秒鐘。這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(cháng)太空電梯成為現實(shí)。石墨烯將給電子業(yè)帶來(lái)“工業(yè)革命”。
石墨烯的市場(chǎng)價(jià)值： 據悉目前在國際上，石墨烯的價(jià)格是黃金的16倍，大約5000元人民幣一克。行內的觀(guān)點(diǎn)是，如果石墨烯達到年產(chǎn)20克以上并進(jìn)行市場(chǎng)銷(xiāo)售的話(huà)，就可說(shuō)是實(shí)現市場(chǎng)化。而令我們興奮的是，深圳貝特瑞新能源材料有限公司已經(jīng)成功研發(fā)生產(chǎn)石墨烯這一神奇的新材料。據了解，該公司石墨烯已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，預計月產(chǎn)量100千克，年產(chǎn)價(jià)值達60億元。 上
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