石墨烯未来极具潜力的新材料

　　最近，剑桥大学的研究人员使用石墨烯制造一种新型硬盘，由于石墨烯极薄的特性，新型硬盘的存储量可达现在最先进硬盘的十倍，标志着更大容量硬盘时代的到来。 简谈第四次工业革命核心科技之新材料之王：石墨烯
　　文/陈思进
　　迄今为止，人类社会已经历经了三次工业革命，即：第一次工业革命，是18世纪60年代到19世纪中的蒸汽时代。之前，人类活动都是依靠人力，但人的力量是有限的。在蒸汽机出现以后，人类的生产力得到了解放，从农业时代进入到了工业时代；
　　而第二次工业革命，是19世纪下半叶到20世纪初的电气时代，随着电力的广泛使用，并且开始使用第二种化石能源——石油，人类进入现代化社会；
　　从20世纪4、50年代直到今天，随着第一台二进制计算机的问世，人类进入了信息时代。
　　目前，科技界普遍认为，人类已然进入第四次工业革命的初期，量子科技、人工智能、基因工程、新材料、新能源等是核心的基础科技。
　　之前，我在《科普时报》的专栏中，简单科普了这些科技中的量子力学的基本概念、量子计算、量子通讯、人工智能等。那在接下来的系列文章中，将再简介一下石墨烯、可控核聚变，以及转基因等。
　　在此先从堪称能改变世界格局的21世纪的＂新材料之王＂——石墨烯（Graphene）谈起。
　　什么是石墨烯呢？
　　简而言之，石墨烯是碳的一种存在形式，它与从铅笔芯一直到金刚石（也就是钻石）为同素异形体，由同样的单一化学元素组成，区别只是它们的碳原子之间的结构不同，因排列方式不同而具有不同性质的单质。
　　就拿钻石来说，其碳12原子的结构特征是每个碳原子都有四个共价键，原子间结构牢固，组成具有四个角相等的正四面体，形成一个钻石晶胞，然后无数个钻石晶胞聚在一起形成了钻石。后来，由于其化学键硬实，结构牢固，被垄断世界钻石业的De Beers（戴比尔斯）借用来代表爱情： ＂钻石恒久远，一颗永留传＂，成了全世界每个新娘的必需品。
　　那么，什么是石墨呢？
　　首先，石墨不是立体结构，是一层一层的，每一层由无数个六个碳原子形成的环连在一起，而无数层的落起来就是石墨。
　　不过，层与层之间没有化学键，靠的是分子的范德华力结合（注：Van Der Waals’forces，根据荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯命名，指分子或原子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力），而范德华力和化学键相比，结实程度相差太远了，好似手纸一般，层与层之间非常松软，而且还可以相互滑动，因此，石墨具有润滑性。
　　而一个单层的石墨就是石墨烯了——由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，但为何叫＂烯＂呢？因为它有碳碳双键。
　　以前，石墨烯被认为是假设性结构，无法单独稳定存在，直至2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（Sir Andre Konstantin Geim），以及其学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Sir Konstantin Sergeevich ＂Kostya＂ Novoselov），成功在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因＂在二维石墨烯材料的开创性实验＂，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
　　那么，他们又是怎么做出来的呢？
　　其实，他们没有使用任何高科技手段，而是＂纯手工＂的用透明胶带来切割石墨，将石墨烯＂撕＂出来的。不过，这听着简单，却包含了一个数学原理，就是不管多厚，哪怕有几万层，只要每次一分为二，再一分为二，so on and so forth，分十五次就能达到目的（你们可以自己试试看，拿一本厚书，一分为二，再一分为二，看看分几次就能分出一页，一般不会超过10次，因为2的10次方就超过1,000页了……）。
　　显然，石墨烯是目前世上最薄的纳米材料，一层的厚度只有0.355纳米，三层一块儿才一个多纳米，是几乎完全透明的，只吸收2.3%的光，好似二维结构；又是目前世上最坚硬的纳米材料，重量极轻，强度却是钢的300倍！同时，还是目前世上电阻率最小的材料(其电阻比铜或银更低，即导电性非凡)，以及拉伸性好、导热性和散热性均最强等各种特点。
　　那么在现实中，石墨烯可以用在哪里呢？事实上，可用的地方太多了，仅例举一些吧。
　　由于石墨烯的电子移动速度极快，又轻又薄又结实，机械强度特别高，再加上它是透明、电阻率极低、良好的导体，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件、甚至芯片；也适合用来制造透明触控（可折叠的）屏幕或光板、甚至太阳能电池；并可用来做汽车或航空的材料；在军事上的用途更广，比如防弹衣，又比如航母弹射器管道中的润滑层（现在都是用特种润滑油，当滑块高速运动时，会摩擦产生高温，润滑油会变质、甚至蒸发，以致磨损滑块）……
　　而在科幻中，大家可能听说过太空电梯（这里先挖个坑，以后另外详谈）。现在人类上太空需要发射运载火箭，载人舱与空间站对接，又费钱又费时，相当危险。于是，在科幻影视里，人类会搭建一部电梯，直接连接到太空站，去太空旅游的话，只要进到这个电梯，按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯，因其又轻又坚固，这个科幻构想看来就将成为现实了！
　　下文再接着谈，第四次工业革命核心科技之新能源：可控核聚变。
　　2021年06月18日写于多伦多安大略湖畔