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碳是地球上最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。碳家族拥有众多的成员，大家熟悉的明星有坚硬的钻石，也有柔软的石墨。而现在，又有一位碳家族成员因2010年诺贝尔物理学奖而名声大振，成为当今碳家族，甚至整个材料王国的一颗耀眼的新星。据说它的出现将会改变我们的生活。更令人称奇的是这位大明星竟然是被透明胶带“粘”出来的。它，就是石墨烯。
它，藏在铅笔笔蕊中
说起石墨，大家并不陌生。我们从学写字的那一刻就开始用到它了，因为我们用来写字的铅笔笔芯的主要成分便是石墨。可是同学们想过没有，为什么选用石墨做铅笔芯呢?这是因为石墨是一种很软的物质，它是由一层又一层的二维平面碳原子网有序堆叠而形成的，而碳原子层与层之间附着得很松散、容易滑动，使得石墨非常软，容易剥落，形成很薄的石墨片，只要在纸上轻轻一画，就可以留下一道痕迹。所以，人们就用它来做铅笔芯。
那石墨烯又是什么呢?它与石墨有什么关系呢?简单地说，石墨烯其实就是厚度只有一个碳原子的单层石墨。你可以这么理解：一层层的石墨烯叠起来就是石墨，或者说石墨是由无数层石墨烯组成的。1毫米厚的石墨大约包含了300万层石墨烯。当你手中的铅笔在纸上轻轻画过时，几层甚至仅仅一层石墨烯便留在纸上了。谁能想到，多少年来，这位材料大明星就一直默默地藏在铅笔芯中，直到被“粘”出来。
它，是被“粘”出来的
虽然早在20世纪40年代，人们就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长一段时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，而且大多数人认为石墨烯这种材料是不可能在常温下稳定存在的，因为它太单薄了。直到2004年，两位科学家——在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，采用十分原始的方法，用透明胶带将石墨烯“粘”了出来。
他们先将透明胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着又将透明胶带粘到了一块面积只有6.5平方厘米(1平方英寸)的硅片上，然后再将透明胶带从硅片上撕下来，这时，数千小片石墨就粘到了硅片上。不过，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开，便使得石墨片的厚度逐渐减小，反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。科学家通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.335纳米的石墨烯。0.335纳米是个什么概念呢?你可以想象把20万片0.335纳米厚的薄膜叠加到一起，它们的总厚度和一根头发丝的直径差不多。
用透明胶带从石墨上粘下薄片，这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是那两位科学家的首创，在此之前就有人尝试过，但之前却没有人能辨识出单层石墨烯。
石墨烯一经发现便在科学界引起了巨大的轰动，不仅是因为它打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为重要的是石墨烯的众多出乎人们意料的新奇特性，使它成为一颗耀眼的材料新星。
它，此钻石还强硬
石墨烯是目前人类已知的最薄材料，它几乎完全透明，却极为致密，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透。
科学家发现了0.335纳米的石墨烯薄片后，就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对其进行穿刺，从而测试其强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍!
美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法描叙了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一枝铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜那么厚的石墨烯薄层。
石墨烯既是最薄的材料，也是韧性最强的材料。它拥有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。
石墨烯为何具有这么强的韧性呢?这是由它的结构决定的。 你现在可以在脑海中想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子，这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度，只有长宽，是二维而不是三维的——这就是石墨烯。
石墨烯的结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。由于碳原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，也不会断裂。
基于石墨烯的这种特性，不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超轻卫星，还可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至，有人想到用它做太空电梯的缆绳。美国科学家证实，地球上强度最高的物质石墨烯完全适合用来制造太空电梯的缆绳!
它，要让硅下岗
石墨烯虽然与石墨一样是非金属，但它遗传了碳原子优良的导电性能。电子穿过石墨烯的速度与硅相比要快得多，这使得它有可能接替硅的位子成为未来电脑芯片的主要材料。
石墨烯的导电性比铜还好，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快，它是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯中电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
目前，集成电路中的晶体管普遍采用硅材料制造，但当硅材料尺寸小于10纳米时，用硅材料制造出的晶体管稳定性会变差。而石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。科学家预测，如果用于制造电脑中的晶体管集成电路，石墨烯可望超越硅晶体，突破现有物理极限，使电脑运行速度更快、能耗更低。
“粘”出石墨烯的两位科学家也已于2008年制造出1个原子厚、10个原子宽的晶体管。
美国西北太平洋国家实验室正与一家私人公司合作研发一种高容量、能快速充电的电池。其核心技术就是在锂离子电池中添加石墨烯，提高其功率和循环稳定性。
它，如何“炼”出来
既然石墨烯如此优秀，那如何才能得到更多的石墨烯呢?有同学就会说了，用透明胶带粘啊!呵呵，方法是可行，但前途不是光明的。你想啊，如果用透明胶带，那得粘到哪年哪月啊!
科学地制备石墨烯的方法有好多种，我们这里说说其中的机械分离法和植种法。
机械分离法是最普通的制备石墨烯的方法，就是直接把石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年曾有科学家用这种方法制备出了单层石墨烯，而且制出的单层石墨烯可以在外界环境下稳定存在。
另一种制备石墨烯的方法是将石墨烯“种”出来。这里说的“种”不是真的种在土壤里，而是种在一种特殊的物质——“钌”里面。首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后降温冷却，冷却到85℃后，之前钌吸收的大量碳原子就会浮到钌的表面。刚开始时，这些单层碳原子星星点点像“孤岛”一样分布在钌基质表面，随着数量越来越多，它们最终可“长成”一层完整的石墨烯。当第一层覆盖80％后，第二层石墨烯又开始“生长”。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离。用这种方法得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
(编辑 孙世奇)
它，藏在铅笔笔蕊中
说起石墨，大家并不陌生。我们从学写字的那一刻就开始用到它了，因为我们用来写字的铅笔笔芯的主要成分便是石墨。可是同学们想过没有，为什么选用石墨做铅笔芯呢?这是因为石墨是一种很软的物质，它是由一层又一层的二维平面碳原子网有序堆叠而形成的，而碳原子层与层之间附着得很松散、容易滑动，使得石墨非常软，容易剥落，形成很薄的石墨片，只要在纸上轻轻一画，就可以留下一道痕迹。所以，人们就用它来做铅笔芯。
那石墨烯又是什么呢?它与石墨有什么关系呢?简单地说，石墨烯其实就是厚度只有一个碳原子的单层石墨。你可以这么理解：一层层的石墨烯叠起来就是石墨，或者说石墨是由无数层石墨烯组成的。1毫米厚的石墨大约包含了300万层石墨烯。当你手中的铅笔在纸上轻轻画过时，几层甚至仅仅一层石墨烯便留在纸上了。谁能想到，多少年来，这位材料大明星就一直默默地藏在铅笔芯中，直到被“粘”出来。
它，是被“粘”出来的
虽然早在20世纪40年代，人们就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长一段时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，而且大多数人认为石墨烯这种材料是不可能在常温下稳定存在的，因为它太单薄了。直到2004年，两位科学家——在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，采用十分原始的方法，用透明胶带将石墨烯“粘”了出来。
他们先将透明胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着又将透明胶带粘到了一块面积只有6.5平方厘米(1平方英寸)的硅片上，然后再将透明胶带从硅片上撕下来，这时，数千小片石墨就粘到了硅片上。不过，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开，便使得石墨片的厚度逐渐减小，反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。科学家通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.335纳米的石墨烯。0.335纳米是个什么概念呢?你可以想象把20万片0.335纳米厚的薄膜叠加到一起，它们的总厚度和一根头发丝的直径差不多。
用透明胶带从石墨上粘下薄片，这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是那两位科学家的首创，在此之前就有人尝试过，但之前却没有人能辨识出单层石墨烯。
石墨烯一经发现便在科学界引起了巨大的轰动，不仅是因为它打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为重要的是石墨烯的众多出乎人们意料的新奇特性，使它成为一颗耀眼的材料新星。
它，此钻石还强硬
石墨烯是目前人类已知的最薄材料，它几乎完全透明，却极为致密，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透。
科学家发现了0.335纳米的石墨烯薄片后，就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对其进行穿刺，从而测试其强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍!
美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法描叙了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一枝铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜那么厚的石墨烯薄层。
石墨烯既是最薄的材料，也是韧性最强的材料。它拥有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。
石墨烯为何具有这么强的韧性呢?这是由它的结构决定的。 你现在可以在脑海中想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子，这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度，只有长宽，是二维而不是三维的——这就是石墨烯。
石墨烯的结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。由于碳原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，也不会断裂。
基于石墨烯的这种特性，不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超轻卫星，还可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至，有人想到用它做太空电梯的缆绳。美国科学家证实，地球上强度最高的物质石墨烯完全适合用来制造太空电梯的缆绳!
它，要让硅下岗
石墨烯虽然与石墨一样是非金属，但它遗传了碳原子优良的导电性能。电子穿过石墨烯的速度与硅相比要快得多，这使得它有可能接替硅的位子成为未来电脑芯片的主要材料。
石墨烯的导电性比铜还好，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快，它是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯中电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
目前，集成电路中的晶体管普遍采用硅材料制造，但当硅材料尺寸小于10纳米时，用硅材料制造出的晶体管稳定性会变差。而石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。科学家预测，如果用于制造电脑中的晶体管集成电路，石墨烯可望超越硅晶体，突破现有物理极限，使电脑运行速度更快、能耗更低。
“粘”出石墨烯的两位科学家也已于2008年制造出1个原子厚、10个原子宽的晶体管。
美国西北太平洋国家实验室正与一家私人公司合作研发一种高容量、能快速充电的电池。其核心技术就是在锂离子电池中添加石墨烯，提高其功率和循环稳定性。
它，如何“炼”出来
既然石墨烯如此优秀，那如何才能得到更多的石墨烯呢?有同学就会说了，用透明胶带粘啊!呵呵，方法是可行，但前途不是光明的。你想啊，如果用透明胶带，那得粘到哪年哪月啊!
科学地制备石墨烯的方法有好多种，我们这里说说其中的机械分离法和植种法。
机械分离法是最普通的制备石墨烯的方法，就是直接把石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年曾有科学家用这种方法制备出了单层石墨烯，而且制出的单层石墨烯可以在外界环境下稳定存在。
另一种制备石墨烯的方法是将石墨烯“种”出来。这里说的“种”不是真的种在土壤里，而是种在一种特殊的物质——“钌”里面。首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后降温冷却，冷却到85℃后，之前钌吸收的大量碳原子就会浮到钌的表面。刚开始时，这些单层碳原子星星点点像“孤岛”一样分布在钌基质表面，随着数量越来越多，它们最终可“长成”一层完整的石墨烯。当第一层覆盖80％后，第二层石墨烯又开始“生长”。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离。用这种方法得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
(编辑 孙世奇)