我們每個人都有使用鉛筆的經歷，但幾乎沒有人意識到當我們用鉛筆在紙上留下字跡的同時也不知不覺地制造出了很有可能在不久的將來改變人類生活的新材料。這種目前在科學界最熱門的材料就是石墨烯。顧名思義，石墨烯與石墨有緊密的聯系。我們知道，石墨是一類層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網絡有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。但長久以來，科學家們從理論上一直認為這種純粹的二維晶體材料是無法穩定存在的，一些試圖制備石墨烯的工作也均以失敗而告終。直到2004年，英國曼徹斯特大學的A. Geim教授及其合作人員憑借極大的耐心與一點點運氣終于如大海撈針般首次發現了石墨烯。他們采取的手段與鉛筆寫字有異曲同工之妙，即通過透明膠帶對石墨進行反復的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米(約為頭發直徑的二十萬分之一)的石墨烯。這一發現在科學界引起了巨大的轟動，不僅是因為它打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，更為重要的是石墨烯的出現帶來了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為繼富勒烯和碳納米管后又一個里程碑式的新材料。而Geim教授也憑借這一發現獲得了2008年諾貝爾物理學獎的提名。

　　石墨烯這一目前世界上最薄的物質首先讓凝聚態物理學家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強，因此即使經過多次的剝離，石墨烯的晶體結構依然相當完整，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無阻的遷移，其遷移速率為傳統半導體硅材料的數十至上百倍。這一優勢使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎材料而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學家們已經研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂觀地預計不久就會出現全由石墨烯構成的全碳電路并廣泛應用于人們的日常生活中。此外，二維石墨烯材料中的電子行為與三維材料截然不同，無法用傳統的量子力學加以解釋，而必須運用更為復雜的相對論量子力學來闡釋。因此石墨烯為相對論量子力學的研究提供了很好的平臺，而在這之前科學家們只能在高能宇宙射線或高能加速器中對該理論進行驗證，如今終于可以在普通環境下輕松開展研究了。

　　石墨烯還具有超高的強度，碳原子間的強大作用力使其成為目前已知的力學強度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應用于新型高強度復合材料之中。石墨烯良好的導電性及其對光的高透過性又讓它在透明導電薄膜的應用中獨具優勢，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽能電池等領域至關重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲能器件方面也已經展示出誘人的應用前景。可以說，石墨烯的出現不僅給科學家們提供了一個充滿魅力與無限可能的研究對象，更讓我們對其充滿了期待，也許在不久的將來，石墨烯就會為我們搭建起更加便捷與美好的生活。

　　看了以上的介紹，如果你對石墨烯產生了興趣的話，不妨也可以嘗試著DIY一下。其實很簡單，只要你一點石墨、有一卷膠帶和一臺顯微鏡就可以了，當然還要加上足夠的耐心。好了，現在你就可以像Geim教授一樣開始在科學世界中的探索了。

　　英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的研究榮獲2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯結構

　　石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬;作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結構非常特殊，必須用相對論量子物理學(relativistic quantum physics)才能描繪。

　　石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。

　　這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

石墨烯特性

　　石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。

　　為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質，我們先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些了解。

　　經典物理學中，一個能量較低的電子遇到勢壘的時候，如果能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端，那它就只能待在這一側;在量子力學中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當它遇到勢壘的時候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是零到一之間的一個數;而當石墨烯中電子波以極快的速度運動到勢壘前時，就需要用量子電動力學來解釋。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地出現在勢壘的另一側。

　　以下實驗證實了量子電動力學的預言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓(相當于一個勢壘)，然后測定石墨烯的電導率。一般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會隨之增加，但事實并非如此，因為所有的粒子都發生了量子隧道效應，通過率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。

　　另外，研究也發現，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家最近發現，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長(約合37000千米)太空電梯可能成為現實。

　　石墨烯可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。

　　師生憑石墨烯研究 同獲諾貝爾獎他們曾是師生，現在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，也曾一同在荷蘭學習和研究，最后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。　海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比目前任何其他材料的導熱效果都好。　海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示出優點和良好性能，因此石墨烯可能最終會替代硅。　由于成果要經得起時間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時間，就獲得了諾貝爾獎，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室告訴整個研究團隊。”而海姆則表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚上睡得很踏實”。　海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此終老一生再無成果;一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼續努力工作，繼續平常生活。”

比鉆石還要堅硬

　　硅片上有數千個肉眼看不見的小孔。科學家開始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進行觀察，科學家花費數天時間，希望能在硅片小孔上發現合適的單原子厚的石墨烯薄片。

　　一旦科學家發現了一些只有100分之一頭發絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進行穿刺，從而測試它們的強度。讓科學家震驚的是，石墨烯比鉆石還強硬，它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍!

　　美國機械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。

可做“太空電梯”纜線

　　據科學家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度最高的物質，它將擁有眾多令人神往的發展前景。它不僅可以開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國研究人員稱，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長達23000英里并且足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度最高的物質“石墨烯”完全適合用來制造太空電梯纜線!

　　人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學家發明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發出了400萬美元的懸賞。

代替硅生產超級計算機

　　不過據科學家稱，盡管石墨烯在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人類已知強度最高的物質，但科學家可能仍然需要花費數年甚至幾十年時間，才能找到一種將石墨轉變成大片高質量石墨烯“薄膜”的方法，從而可以用它們來為人類制造各種有用的物質。

　　據科學家稱，石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨一無二的特性，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料，這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

　　這種物質不僅可以用來開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現實。