新華網(wǎng)北京10月5日電(記者王艷紅)碳是最重要的元素之一，它有著獨(dú)特的性質(zhì)，是所有地球生命的基礎(chǔ)。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅(jiān)硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所指向的，是碳的另一張奇妙臉孔：石墨烯。

想象有那么一張單層的網(wǎng)，每一個(gè)網(wǎng)格都是一個(gè)完美的六邊形，每一個(gè)繩結(jié)都是一個(gè)碳原子。這張網(wǎng)只有一個(gè)原子那么厚，可以說(shuō)沒(méi)有高度、只有長(zhǎng)寬，是二維而不是三維的。這就是石墨烯，它是二維的碳，人類已知的最薄材料，一種正為物理學(xué)和材料學(xué)帶來(lái)許多新發(fā)現(xiàn)的東西。

由于這種材料是從石墨中制取的，而且包含烯類物質(zhì)的基本特征——碳原子之間的雙鍵，所以稱為石墨烯。實(shí)際上石墨烯本來(lái)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(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。層與層之間附著得很松散，容易滑動(dòng)，使得石墨非常軟、容易剝落。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

科學(xué)家在20世紀(jì)40年代就對(duì)類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)理論研究，但在此后很長(zhǎng)時(shí)間里，制取單層石墨烯的努力一直沒(méi)有成功，有人認(rèn)為這樣的二維材料是不可能在常溫下穩(wěn)定存在的。2004年10月，發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上的一篇論文推翻了這種認(rèn)知。在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用普通膠帶完成了他們的“魔術(shù)”。

他們用膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反復(fù)粘上十到二十次之后，薄片就變得越來(lái)越薄，最終產(chǎn)生一些單層石墨烯。這個(gè)看上去非常簡(jiǎn)單、一點(diǎn)兒也不高科技的方法，并不是他們的首創(chuàng)。在此之前就有人試過(guò)，但沒(méi)能辨識(shí)出單層石墨烯。

海姆和諾沃肖洛夫把剝離下來(lái)的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效應(yīng)使薄片在顯微鏡下呈現(xiàn)彩色條紋，就像油膜在水面上產(chǎn)生的效果。利用這種效應(yīng)，他們觀察到了單層石墨烯。就這樣，第一種二維晶體材料正式出現(xiàn)了。之后，人們又制備出一些其他二維材料，例如氮化硼和二硫化鉬的二維晶體。

石墨烯對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，例如電子無(wú)視障礙、實(shí)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)的應(yīng)用前景。

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出百倍。同時(shí)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，可以承受一只貓的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。

石墨烯的導(dǎo)電性比銅更好，導(dǎo)熱性遠(yuǎn)超一切其他材料。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無(wú)法穿透。

科學(xué)家認(rèn)為，利用石墨烯制造晶體管，有可能最終替代現(xiàn)有的硅材料，成為未來(lái)的超高速計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。晶體管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10納米的尺度上已開(kāi)始不穩(wěn)定，而石墨烯可以將晶體管尺寸極限向下拓展到1個(gè)分子大小。海姆和諾沃肖洛夫已于2008年制造出1個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬的晶體管。

石墨烯還可用于制造透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。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。由于具備完美結(jié)構(gòu)，石墨烯還能用來(lái)制造超靈敏的感應(yīng)器，即使是最輕微的污染也能察覺(jué)。

但這樣夢(mèng)幻般的情景離實(shí)際還有距離，其中新型超級(jí)計(jì)算機(jī)這樣的東西更是十分遙遠(yuǎn)。這種二維的碳到底會(huì)給人類世界帶來(lái)什么樣的改變，即使是剛剛戴上諾貝爾獎(jiǎng)桂冠的研究者們，也無(wú)法預(yù)知。