日前有消息稱，美國科學家研發(fā)出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，能在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充電；國內(nèi)某上市公司也正在申請石墨烯電池專利。受這些消息影響，石墨烯概念股近日表現(xiàn)活躍。

　　2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在。僅僅6年之后，兩人便因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

　　一個成果從完成到獲諾獎，僅僅間隔6年時間，絕對十分罕見。這也從一個側面說明了這個工作的受關注程度。

　　的確，石墨烯出現(xiàn)以來，科學家們很快就發(fā)現(xiàn)了這種材料擁有的各種各樣神奇性質(zhì)，各方面對它的研發(fā)投入了極大興趣。有科學家甚至預言，石墨烯將“徹底改變21世紀”。

　　只有一層碳原子厚

　　“二維結構”從想象變成現(xiàn)實

　　我們所有人對“石墨”都不陌生， 因為鉛筆的筆芯就是由它和粘土混合而成的。

　　石墨是由碳元素組成的。在電子顯微鏡下，可以發(fā)現(xiàn)石墨的結構是層狀的，每一層的碳原子都排列成緊密的蜂窩狀六邊形網(wǎng)格，而層與層之間的距離則比較大，層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會留下痕跡，正是這種松散堆砌的結果。

　　很早以前就有人想到，如果將石墨一層層剝離，最后能不能得到只由單層原子組成的“二維”石墨片？1987年，有人正式給這種理想中的“二維”石墨片取了個名字，就叫石墨烯。

　　這幾乎是只能在教科書的物理作業(yè)中出現(xiàn)的“理想狀態(tài)”。直到21世紀初，人們所達到的最好業(yè)績——即最薄的石墨片——也只到幾十層原子的水平。

　　更糟糕的是，早在20世紀30年代，著名俄國物理學家朗道等人就已證明，二維材料的熱運動漲落會破壞自身的結構。實驗上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也在佐證著這一結論，比如石墨層越薄，就越容易卷曲成球狀或柱狀，而無法維持平面結構。因此，制備石墨烯曾被很多人認為是注定無法成功的事情。

　　而海姆和諾沃肖洛夫團隊偶然發(fā)現(xiàn)了一種十分簡單的方法：他們用透明膠帶粘住石墨層的兩個面，然后撕開，使之分為兩片。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。

　　聽上去輕而易舉，但其中真正實現(xiàn)還是要克服很多困難，是外行人難以理解的。海姆實驗組制備石墨烯前后持續(xù)了一年多時間，而制備出的石墨烯只有幾平方微米，要用高倍顯微鏡才能觀測到。

　　從狹義上來說，石墨烯指單層的石墨；從廣義上來說，層數(shù)小于10層的石墨都可稱為石墨烯。近年來，被它的誘人應用前景所吸引，各方面投入了很大人力物力，研發(fā)大規(guī)模工業(yè)制備石墨烯的方法，目前已經(jīng)開辟了多種途徑，大致可分為物理方法和化學方法兩類，也獲得了很多重要突破，然而這仍然是十分困難的工作，從石墨烯的市場價格也可見一斑：如此便宜隨處可見的石墨，制成石墨烯后，價格就十倍于黃金。

　　力學強度最大 電子傳輸最快

　　神奇特性可顛覆日常經(jīng)驗

　　原本似乎只能在想像中存在的“二維”石墨烯，一旦真的被制取出來以后，它的種種神奇性質(zhì)，足可以顛覆我們過去的很多日常經(jīng)驗。

　　從力學性質(zhì)上說，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，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩(wěn)定?？茖W家已經(jīng)證實了石墨烯是目前世界上已知的強度最高的材料，比鉆石還堅硬，是世界上最好的鋼鐵強度的100多倍。瑞典皇家科學院在頒發(fā)2010年諾貝爾物理學獎時曾這樣比喻：“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”。有人這樣引申說，由于石墨烯厚度只有單層原子，透光率高達97.7%，因此如果真有那樣的吊床，它不僅對于肉眼，甚至對于很多儀器來說都是不可見的，我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。