前言

“铅笔在几百年前就被发明，铅笔芯则是碳组成的。然而几百年里，我们对石墨烯一无所知。”

年诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆，在浙江大学的一次学术讲座上说到这句话。海姆用一句话点醒学子们要对周边的事物保持好奇，同时要学会观察事物、分析事物，说不定能获得意想不到的收获。

安德烈·海姆在浙大演讲

其实早在年，就有国外科学家通过穿透式电子显微镜观察到了少层石墨烯的存在，但由于人们一直没有找到分离出单层石墨烯的方式。

以至于在很长一段时间里，石墨烯这种物质被认为是不存在的，因为它根本无法单独稳定的存在。

但这一猜疑终于在年，被英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫击破。而他们分离出只有一个原子厚度的石墨烯材料所运用的工具，正如上文海姆说的那样就是身边最平常的物品之一，一卷普通的塑料胶带纸，正是这卷胶带纸让他们获得了科学结至高无上的荣誉——诺贝尔奖。

二人获得诺贝尔奖

海姆和诺沃肖洛夫将石墨薄片放置于胶带中，然后通过对折胶带使其粘住石墨片两侧，随即再将胶带分开，以此往复，石墨片在被一次又一次的“一分为二”后，终于得到了只有单层碳原子构成的石墨烯样品。

海姆和诺沃肖洛夫也用事实证明，石墨烯是可以作为单独稳定而存在的物质。

分离出石墨烯的工具

材料之王

石墨烯由碳原子组成，众多碳原子以sp2杂化轨道的形式连接在一起排列成六边形晶格形式，整体呈蜂巢状的二维平面结构。其单层厚度也仅仅是一个碳原子的厚度，即0.35纳米，这样的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一，是一根头发丝直径的二十万分之一。

石墨烯的发现之所以能轰动世界，那是因为它很有可能为材料科学研究开启了一道新的大门。

石墨烯可能会让传感器制造、电力运输与储存、信息处理、新能源甚至是国防工业等方面，获得一个崭新的研究方向，它也被称为现代材料科学的鼻祖，甚至有了一个响亮的名字——材料之王。

石墨烯的特性

总的来说，石墨烯拥有令人难以置信的物理性质，它不但是已被证明的厚度最薄材料，同时也是目前导热、导电、透光性以及强度最高的材料，没有之一。

在导热方面，单层石墨烯导热系数已经达到W/mK（瓦/米·度：材料层的厚度为1米，两边温度差为1摄氏度，在1小时内通过1平方米表面积所传导的热量），这比之前已有的导热系数最高的材料还要高出了近50%。

同时石墨烯还具有极强的透光性，同比之下，玻璃的透光率为89%，而石墨烯的透光率则接近于98%，这对于常人来说，它几乎就是透明的。

柔性电子屏幕

此外，石墨烯还具有损耗几乎为零的导电性，电子在石墨烯导体中的运动速度能达到光速的三百分之一。

并且还有着高达.85摄氏度的熔点（黄金熔点为.43摄氏度），同时石墨烯还具有超疏水性和超亲油性，这使得人类在油与水的分离问题上又有了新的突破口。

石墨烯柔性电极

高强度在石墨烯所有的特性中，高强度应该算是最令人叹为观止的了。作为有史以来人类发现的最结实的材料，石墨烯的强度差不多是质量最好的钢材强度的倍，从某种意义上来说，金刚石在石墨烯面前也只能是“弟弟”。

金刚石锯条

哥伦比亚大学的物理学家们曾对石墨烯的强度进行了一次全面测试，他们将厚度只有10-20微米的石墨烯微粒放置于晶体薄板上，然后通过探针给石墨烯样品施加压力，随后物理学家们惊奇地发现，在每纳米距离上的小微粒，需要在施加了2.9微牛的压力后才开始破裂。

有了这一测算结果，物理学家们推算出，如果要让长度达到一米的石墨烯单层薄板断裂，那需要施加55牛的压力。

如果再将这一结果放大，倘若有用石墨烯制作而成的包装袋（普通塑料袋厚度），那这种包装袋能直接提起2吨重的东西。

若能制成厚度达1厘米的石墨烯材料板，在上面放下一头重达几吨的成年大象也毫无压力。

石墨烯强度高的原理

石墨烯是由石墨剥离而成，众所周知，石墨应该算是“最软”的自然界矿物了，那为何从它身上剥离出来的石墨烯却又成了强度最高的材料了呢？

石墨制品

上文我们也说到了石墨烯的强度是钢材的倍，其实这里所指的强度，是断裂强度。与大家所了解的例如金刚石这类块状物的“坚硬”不同。石墨烯之所以强度高，是因为它是呈二维状的平面薄膜材料，相较于其它三维材料（可以理解成金刚石这类的块状物体），石墨烯胜就胜在它是高度稳定的C-C键连接而成。

稳定性极强的碳碳键

石墨之所以“软”，正是因为它已经是处于三维状态的块状物体，它所表现出来的强度靠的是分子与分子之间的静电力，也就是范德华力，属于“弱化学键”。

而石墨烯表现出来的强度则是同一平面层内的C-C键带来的，这种二维六角网格状结构，不仅键强度极高，同时弹性和延展性也十分出色。石墨烯的延展幅度能达到自身的百分之二十，这便是其断裂强度极高的原因。

如果从三维的角度来考虑的话，“石墨烯”的强度就比金刚石要差得多了，因为它根本就承受不了多少剪切力，只能承受来自于单面的凹入式压力。

剪切力

当然，若是三维结构，那这种材料就不叫石墨烯了，所以就算要将石墨烯运用到实际生活中，那它也只能是以复合材料的形式出现。

凹入式压力

石墨烯的应用与前景

电池领域作为一种各种高性能特性加持的材料，这样意味着它将在众多领域都具有运用潜力。首先就是与大众接触比较多的就是电器、电池设备充电，有了石墨烯这一概念后，目前市面上所有流行的“快充设备”都将成为小儿科。

此前已有澳洲研究人员通过用石墨烯片堆叠出一个小型储能电池，该电池相较于传统电池不仅提升了容量，同时还极大地降低了循环使用之间的性能消耗，使其具有“无限次”使用的潜能。

最关键的是，由石墨烯复合材料制成的电池，在充电速度方面的提升是呈指数化的，在不考虑制作难度的情况下，任何容量的石墨烯电池都能在几秒内完成充电。

未来，若将石墨烯电池普及到电子设备、新能源汽车甚至是工业用电中，那都将是革命性的突破。

环保与海水淡化

再者就是在环保与水资源利用方面，我在上文也提到过，石墨烯具有极强的“亲油性”和“疏水性”，若将石墨烯这一特性运用到清理水面或海面泄漏的石油等油性物质，不失为良策。

并且运用石墨烯材料制作而成的海水淡化过滤薄膜，由于其薄膜漏孔很小，小到只能让水分子通过，从而阻挡盐离子的通过，所以在用石墨烯过滤薄膜进行海水淡化时，就会省去一大笔不必要的开支。

科学家用石墨烯制成过滤网

据美国洛克希德·马丁公司的实际测算来看，其整个淡化过程会比传统海水淡化模式降低能源消耗20%左右。

其它方面此外，石墨烯超强的导电性能也为高铁提速打下基础，未来甚至有可能代替电线中的铜，从而诞生一种全新的“石墨烯电线”。

在生物传感方面，运用石墨烯片制成的传感器将具有更强的信息传导能力，该能力不仅能运用到农作物含水量监测，及时掌握作物的生长情况。甚至还能运用到医学检测上，使得医学检测变得准确且快捷，或许未医院的检测报告了。

除了上面提到的，石墨烯还可以运用到超轻型材料方面，为航空产品或汽车减低重量；还能改良无线通信传输效果；提升太阳能光伏电池板性能；提高钢铁强度；同时还能运用到量子计算，促进信息技术革命等方方面面。

既然是超级材料，那石墨烯的运用肯定也远不止我提到的这些，甚至有科学家畅想到，若能将石墨烯材料编织在一起，那未来制造出连接地球与太空的“太空电梯”都有可能。

太空电梯想象图

总结

当然，我在这里并不是要吹嘘石墨烯有多么多么牛，但我们也无法否认它的神奇之处。

而安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫将分离出来的单层石墨烯展现在世人眼前，这也只是个敲门砖。而真正要将石墨烯大面积地运用到日常生活中，还有很长一段路要走，而这一切的前提就是，如何能低成本且大规模的生产制造出石墨烯或者是石墨烯复合材料？

毕竟目前还没有石墨烯产品被大面积运用的案例，就算有，那也是极个别的领域，石墨烯暂时对普通人的生活并没有带来多大改变。

但这肯定阻止不了人类对石墨烯的探索脚步，期待石墨烯产品真正能普及到千家万户的那一天。

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