石墨烯—改变世界的新材料

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  我们每个人都有使用铅笔的经历,但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的新材料。这种目前在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义,石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道,石墨是一类层状的材料,它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱,因此石墨层间很容易互相剥离,形成薄的石墨片,这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限,那就是单层的剥离,即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨,这就是石墨烯。但长久以来,科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的,一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年,英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙,即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小,最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米(约为头发直径的二十万分之一)的石墨烯。这一发现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出现带来了众多出乎人们意料的新奇特性,使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。而Geim教授也凭借这一发现获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。

  石墨烯这一目前世界上最薄的物质首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。由于碳原子间的作用力很强,因此即使经过多次的剥离,石墨烯的晶体结构依然相当完整,这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移,其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型,并且乐观地预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路并广泛应用于人们的日常生活中。此外,二维石墨烯材料中的电子行为与三维材料截然不同,无法用传统的量子力学加以解释,而必须运用更为复杂的相对论量子力学来阐释。因此石墨烯为相对论量子力学的研究提供了很好的平台,而在这之前科学家们只能在高能宇宙射线或高能加速器中对该理论进行验证,如今终于可以在普通环境下轻松开展研究了。

  石墨烯还具有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学强度最高的材料,并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势,而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。另外,石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。可以说,石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象,更让我们对其充满了期待,也许在不久的将来,石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。

  看了以上的介绍,如果你对石墨烯产生了兴趣的话,不妨也可以尝试着DIY一下。其实很简单,只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可以了,当然还要加上足够的耐心。好了,现在你就可以像Geim教授一样开始在科学世界中的探索了。

  英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯方面的研究荣获2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯结构

  石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。

  石墨烯结构非常稳定,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。

  这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯特性

  石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。

  为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质,我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。

  经典物理学中,一个能量较低的电子遇到势垒的时候,如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端,那它就只能待在这一侧;在量子力学中,电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候,有可能以某种方式穿透过去,这种可能性是零到一之间的一个数;而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时,就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言:电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。

  以下实验证实了量子电动力学的预言:事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压(相当于一个势垒),然后测定石墨烯的电导率。一般认为,增加了额外的势垒,电阻也会随之增加,但事实并非如此,因为所有的粒子都发生了量子隧道效应,通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性:相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。

  另外,研究也发现,尽管只有单层原子厚度,但石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门,让科学家梦寐以求的2.3万英里长(约合37000千米)太空电梯可能成为现实。

  石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

  师生凭石墨烯研究 同获诺贝尔奖他们曾是师生,现在是同事,他们都出生于俄罗斯,都曾在那里学习,也曾一同在荷兰学习和研究,最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。 海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料,仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是,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。此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体,石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。 海姆和诺沃肖洛夫认为,石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能,因此石墨烯可能最终会替代硅。 由于成果要经得起时间考验,许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间,就获得了诺贝尔奖,这使诺沃肖洛夫感到意外。他说:“今天早上听说这个消息时,我非常惊喜,第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示,“我从没想过获诺贝尔奖,昨天晚上睡得很踏实”。 海姆认为,获得诺贝尔奖的有两种人:一种是获奖后就停止了研究,至此终老一生再无成果;一种是生怕别人认为他是偶然获奖的,因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人,当然我会像平常一样走进办公室,继续努力工作,继续平常生活。”

比钻石还要坚硬

  硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。科学家开始采取高科技手段,将硅片放置在电子显微镜下进行观察,科学家花费数天时间,希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。

  一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后,他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺,从而测试它们的强度。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解释了石墨烯的强度: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,然后试图用一支铅笔戳穿它,那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。

可做“太空电梯”缆线

  据科学家称,地球上很容易找到石墨原料,而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称,“太空电梯”的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,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缆线!

  人类通过“太空电梯”进入太空,所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料,美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。

代替硅生产超级计算机

  不过据科学家称,尽管石墨烯在大自然中非常普遍,并且石墨烯是人类已知强度最高的物质,但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间,才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法,从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。

  据科学家称,石墨烯除了异常牢固外,还具有一系列独一无二的特性,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料,这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。

  这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

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