超级材料-石墨烯【原创】

超级材料-石墨烯【原创】

团结就是力量

团结就是力量

这力量是铁

这力量是钢

比铁还硬

比钢还强

…………

没想到这几句老歌词儿竟能适用于石墨烯。靠着碳原子团结，石墨烯岂止比铁还硬，它直逼最硬的同元素哥们儿-金刚石；靠着碳原子团结，石墨烯抗拉强度5倍于钢，迄今在地球上数第一，其重量却只有钢的1/4，比铝还轻；靠着碳原子团结，石墨烯电阻率只有不到银的2/3，迄今世上电阻率最小。常温下，金属导体电阻会随温度升高而增大，石墨烯却反而会减小；靠着碳原子团结，石墨烯成为最薄的材料，薄到只有一层碳原子，因此它还透明，多层石墨烯膜仍能弯曲自如。另外，石墨烯还有诸如电子漂移率最高、电子漂移速度最快等微观特性。这么雷人的超级材料，却亿万年来一直默默无闻地呆在石墨里，不为人知。

铅笔芯儿主要成分就是石墨。拿铅笔往纸上一划，那条黑线主要是石墨微小碎块儿，但也会有微薄碎片儿。如果碎片儿薄到只剩一层，那就是单层石墨烯。这只是合理推测，至今还没人从铅笔画线中找到过单层石墨烯，因为那就像大海捞针。真正从石墨里剥离出单层石墨烯，已经到了2004年。这要从石墨晶格结构说起。

图示石墨晶格模型只有两层，同层中每个碳原子通过共价键与另三个碳原子链接，构成六角形网孔平面。碳原子间距约0.142纳米（1纳米=1毫米/1百万），单层厚度约0.334纳米，层间隔约0.340纳米，层间引力很小。因此，石墨容易被片状剥离。2004年，英国曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所两组团队共同合作，首先剥离出单层石墨烯。而剥离法竟然非常简单。他们把石墨薄片两面贴上胶带再撕开，每边胶带各粘得薄片约一半厚度。理论计算，一毫米厚薄片，反复对剥20-21次，就能得到单层石墨烯。实际未必每次都能对等，石墨结构也没那么规整。总之，多次重复后，其中就有少量样品在电子显微镜下看，仅由一层碳原子构成，这就是单层石墨烯。因首次获得单层石墨烯，两位关键人物安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov）同获2010诺贝尔物理奖。他们把一块石墨、一个胶带、一个石墨烯晶体管送进诺贝尔博物馆，以纪念单层石墨烯的获得和应用。

经10年各国科技人员努力，如今已经能制作大尺寸单层、多层石墨烯膜。只是价格很贵，至今附着在氧化硅片上的单层石墨烯售价均高于$58/平方厘米。一个手机显示屏即便只用4层石墨烯膜，材料费就超$23,200。看来，石墨烯普及应用还需待时日。

我只希望在有生之年能看到：石墨烯手机薄软如名片，充电5秒，就能用一天；石墨烯电动轿车俩人能抬起，充电数分钟就能跑数千公里；石墨烯电灯薄如纸，贴在墙上就能照明；石墨烯太阳能电池放在西藏高山哨所屋顶，给大兵们供电、取暖；石墨烯膜直接从海水里滤出淡水，供南沙军民饮用……。

到那时回北京，天空又能常蓝，空气又能常新，水又能长清，山又能常绿，我盼着那个好日子。

附录：

1.石墨烯英文名Graphene，是石墨词头graph+烯词尾ene组合。

2.石墨烯的几个物理参数与其它物质对比：

密度2.2g/cm3;铝2.7g/cm3;钢7.8g/cm3

杨氏模量1100 GPa;合金钢190-210 GPa

电阻率1.00x10^-8 Ω.m;银1.59x10^-8 Ω.m

电子迁移率15000cm2/V.s;银560cm2/V.s

电子迁移速度1000km/s;金属导体mm/s数量级

有氧环境超过2000C°燃烧；铁熔点1539C°