石墨烯——Geim教授和Novoselov教授用膠帶粘出了諾貝爾物理學獎

石墨烯——Geim教授和Novoselov教授用膠帶粘出了諾貝爾物理學獎

我們幾乎每個人都用過膠帶，或是用來把東西粘在一起，或是寫錯字了用膠帶粘一下以便更正，或許我們還會用膠帶來做出很多新鮮的花樣，但英國曼切斯特大學的Geim教授和Novoselov教授卻用膠帶粘出了諾貝爾物理學獎，這究竟是一種怎樣的體驗？



一、膠帶粘出來的石墨烯

事情發生在2004年，兩位教授用膠帶粘在石墨（鉛筆芯的主要材料就是石墨，不是鉛哦——）上，然后撕下來，發現膠帶上粘上了一層薄薄的石墨片，這本沒有什么新奇的，但兩位教授突發奇想，拿著第二片膠帶去粘第一片膠帶上殘留的石墨薄片，此時兩片膠帶粘在了一起，然后再把兩片膠帶撕開，結果發現膠帶上殘留的石墨片變薄了。這時候很多人會覺得無聊，不就是撕膠帶嘛，而這兩位教授發現石墨片變薄后又拿著第三塊膠帶來粘第二塊膠帶上的石墨，再用第四膠帶來粘三片膠帶……就這樣一次又一次的粘膠帶，撕膠帶，最終兩位教授得到了薄得不能再薄的微小的石墨片，它僅僅只有一層原子的厚度，對，它就是單層的石墨，叫做石墨烯。

自2004年首次成功剝離出石墨烯以來，其令人驚嘆的材料性質引起了近十多年來大量科學家的廣泛研究，這兩位教授也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

頒獎詞如是說（節選）：

“我們對石墨烯了解已有很長一段時間了，早在1947年菲利普·華萊士便計算了石墨烯中電子運動情況，然而很少有科學家認為我們可以分離出單層石墨烯并測量其中的電子運動狀況。因此，今年的物理學獎更顯得令人驚訝，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫借助特殊的方法成功分離出薄層石墨烯，并在不同顯微鏡的幫助下發現有些片層是單原子級厚度。他們在石墨烯方面的“突破性實驗”使得利用石墨烯生產新物質和新型電子產品成為可能。”

在單層石墨烯誕生以后，很多科學家都在積極探索能夠生產更大規模和更高質量的石墨烯，除了用膠帶粘以外，現在還有很多其它的石墨烯制備方法，如微機械剝離法、化學剝離法、化學氣相沉積法等。



二、石墨烯緣何迅速走紅，風靡全球？

那么，石墨烯的性質到底是有多強大，以至于現在學物理的、學化學的、學材料的、電氣工程的、機械工程的甚至學生物的都在研究它？這跟石墨烯的結構和性質有關。石墨烯是由碳原子組成的，碳原子之間以正六邊形的排布方式形成化學鍵，這種碳原子分布結構賦予了石墨烯很多得天獨厚的性質。

第一，石墨烯具有超高的電子遷移率（對計算機運行速度起著非常重要的作用），是硅（現在的CPU（電腦中央處理器）材料）的200倍。

第二，石墨烯有著目前已知材料中最高的熱導率（決定導熱性能），它熱導率是銀的13到15倍，是鐵的80到90倍，是水的8000到9000倍。

第三，石墨烯的斷裂強度極高，是一般鋼鐵的200倍。

除此之外，石墨烯還有著很好的透光性和柔韌性，這些超凡的性能使得石墨烯成為了當之無愧的明星材料。



三、不負眾望，石墨烯正在改變我們的生活

那有了這些卓越的性質之后，石墨烯可以用在什么地方呢？

石墨烯有可能成為代替硅的超級材料，將有希望促進計算機硬件領域產生革命性的發展。我們知道硅是一種半導體，它是制造電腦CPU的材料。電腦及其硬件的尺寸在不斷縮小，這得益于芯片越做越小。但由于硅材料本身的限制，理論上5納米（1納米等于千分之一微米，十億分之一米）是它的物理極限，而事實上有限于工藝，以硅為基本材料的芯片只能做到7納米就不能再小了，否則會損失相應的性能（如漏電）。而得益于超高的電子遷移率，石墨烯這個新興的明星材料將有可能在微型電腦硬件中補償硅的短板，將芯片做得越來越小，電子產品將越來越輕便，運行能力也會越來越強大。

石墨烯電子器件，白色比例尺為2微米

石墨烯優越的電子傳輸性能使得它還能應用在電池中，石墨烯在鋰電池（廣泛應用在手機、電腦等電子設備中）中已經有很多成功的應用，它可以作為電極的添加劑，增加電極的導電性，從而加快充電速度。此外，由于石墨烯具有很好的透明性，這使得它在光電器件中也有著很好的應用前景，比如現在太陽能電池的很多部分就用到了石墨烯，電子產品的柔性顯示屏也多使用石墨烯。

另外，石墨烯優越的電子傳輸性能還被應用到神經傳導、類腦計算和人工智能研究和應用中。而它優異的力學性能使得它在復合材料中有些廣闊的應用前景，超強石墨烯復合材料可以作為飛機的超薄超輕材料。

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