手機(jī)充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光驅(qū)動飛行器？關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，似乎石墨烯已經(jīng)成為了無所不能的超級材料。石墨烯是什么？到底有什么特性讓它備受推崇？
石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
石墨烯的誕生倒是一件趣事。當(dāng)時蓋姆把一大塊兒高定向熱解石墨和一臺高級拋光機(jī)交給了一位新來的中國博士生，希望他做出盡可能薄的膜。三個星期后博士生給了蓋姆一個10微米厚的培養(yǎng)皿.蓋姆生氣地問他能不能磨得更??？博士生說：“那你就自己試試吧?！?/P>
蓋姆只得自己做了，不過他采用了一種非?！巴痢钡姆椒āＫ猛该髂z帶在石墨上粘一下就會有石墨層被粘在膠帶上，把膠帶對折后粘一下再拉開，兩端就都沾有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)多次，終于薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨烯就制成了。
在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實驗界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在,但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。
在隨后三年內(nèi), 安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度物理學(xué)諾貝爾獎。
石墨烯對物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的物理性質(zhì)。
作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)?！?/P>
石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20％。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只貓的重量。
難以想象的是，石墨本身幾乎是最軟的礦物質(zhì)（莫氏硬度只有1~2級），“切”成一個碳原子厚度的薄片時，“性格”會發(fā)生如此之大的變化，石墨烯的硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高，但卻又有很好的韌性，可以彎曲。
因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。
因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。
另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
石墨烯具有很強(qiáng)的化學(xué)敏感性，可以制成高效探測器等。涂有石墨烯的傳感器可以檢測到含有用于炸藥、氨等化學(xué)物質(zhì)的低濃度的蒸汽。
石墨烯的這些特性注定要給諸多產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的變化。但是我們普通人最關(guān)心的還是石墨烯可能會給我們的生活帶來什么樣的便捷。雖然現(xiàn)在仍有制備上的困難和成本限制等問題，但已經(jīng)有一些優(yōu)秀研究成果問世，展現(xiàn)了極佳的研發(fā)前景。
在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。
中國的科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯的紙上無法生長，而人類細(xì)胞則不會受損。利用這一點可以利用它來做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。
西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。最重要的是其成本將比鋰電池低77%，消費者完全可承受。
一直以來，石墨烯都是科研人員眼中的寵兒。近日，一個由美韓研究人員組成的聯(lián)合小組報告稱他們將小片石墨烯連接到金屬電極上，懸空于基底材料上方并加載一定的電流使其加熱，制成了只有一層原子的世界最薄電燈泡，或?qū)⒅瞥勺畋〉娘@示器。
南開大學(xué)的一個聯(lián)合科研團(tuán)隊通過3年的研究，獲得一種光照即可移動的特殊石墨烯材料。據(jù)悉，這是迄今為止科學(xué)界第一次用光推動一個宏觀物體并實現(xiàn)的宏觀驅(qū)動。介紹這一成果的論文一經(jīng)發(fā)表就迅速引起了國際科學(xué)界關(guān)注。
像石墨烯這種具有革命性的新材料的發(fā)展，需要長期的資本投入，以創(chuàng)建完整的價值鏈和實現(xiàn)與終端市場應(yīng)用領(lǐng)域的有效對接。隨著科技的進(jìn)步,石墨烯制備和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化浪潮必將在全球范圍內(nèi)展開。
