今天我要講的一種材料叫石墨烯，它是一種納米材料，很小。它有很多優(yōu)異的性能，那么一個(gè)材料優(yōu)質(zhì)的性能從哪里來？大家想過這個(gè)問題嗎？第一，從它是什么元素，第二，這些元素是怎么排列的。

同樣是碳，為什么鉆石、石墨、二氧化碳的價(jià)值差距這么大？

比如鉆石和石墨兩種材料，他們都是由碳構(gòu)成的，但是這種兩種材料在我們?nèi)粘Ｉ钪袃r(jià)值似乎完全不同。

鉆石顏值很高，價(jià)格很貴，它透明、堅(jiān)硬、絕緣。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松軟的、導(dǎo)電的，兩種材料完全相反，然而它們都是實(shí)實(shí)在在由碳組成的材料。

如果我說一位女士你帶的0.2克的這塊碳是從哪里買的？你肯定感到不高興，“我這是鉆石”。然而這些鉆石也好，石墨也好，和我們呼出的二氧化碳里面的碳都是一樣的。好比說，今天你大概呼出了2000多克拉的碳，那么你就覺得這個(gè)呼吸好值錢。

結(jié)構(gòu)不一樣造成了性質(zhì)的不一樣，我們可以看到，在圖中鉆石是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，而石墨在二維層面有一個(gè)很強(qiáng)的化學(xué)鍵連接，在層和層之間是一種很弱的化學(xué)鍵，叫范德華力[1]的連接，這就造成了它們性質(zhì)的巨大的不同。

我們今天要談的是個(gè)納米碳材料，那我們就看看在納米的結(jié)構(gòu)里面，材料的結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性質(zhì)究竟會(huì)造成什么樣的影響。

為什么〇維碳獲得了諾獎(jiǎng)，而一維碳卻失之交臂？

第一，〇維碳，也叫碳60。我們看到它是籠子狀的結(jié)構(gòu)，它是一種五邊形和六邊形拼湊起來的，跟足球非常像，所以它有一個(gè)另外的名字叫“足球烯”。如果我們?cè)谧闱虻拿恳粋€(gè)拼湊的鍵點(diǎn)上放一個(gè)原子，我們就完全相同地制造了一個(gè)碳60的這樣的一個(gè)分子結(jié)構(gòu)。

這個(gè)分子是在1986年被兩位美國科學(xué)家和一位英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，并由此獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。富勒烯[2]的發(fā)現(xiàn)加深了我們對(duì)宇宙中含碳分子的認(rèn)識(shí)、碳的演化的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)芳香族[3]物質(zhì)的理解。

一維碳材料——碳納米管，我們可以看到它是一個(gè)管子狀的結(jié)構(gòu)，它的直徑大約在一納米上下。這個(gè)材料是由日本NEC的科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)的。

1991年，當(dāng)時(shí)由于透射電鏡的技術(shù)的發(fā)展，他可以很清楚地看到這樣的一個(gè)管式結(jié)構(gòu)。這個(gè)碳管在我們做納米材料的領(lǐng)域中非常重要，因?yàn)樗辜{米材料進(jìn)入了普通人的視野，而他在科學(xué)界也掀起了納米材料的高潮。

納米管有很多奇異的性質(zhì)，我們似乎覺得碳60獲了諾獎(jiǎng)，碳管是不是也應(yīng)該獲得諾獎(jiǎng)呢？但他并沒有，當(dāng)然諾獎(jiǎng)的委員會(huì)有不同的考慮，但是有一個(gè)原因可能讓大家對(duì)它有點(diǎn)憂慮。

飯島澄男發(fā)現(xiàn)了碳管的時(shí)候，有許多人跳出來說，我早就發(fā)現(xiàn)了，我冤枉。也有好多團(tuán)隊(duì)這樣跳出來，最著名的應(yīng)該是前蘇聯(lián)的科學(xué)家，在1952年的時(shí)候他們就看見了納米碳管的影子。

但由于當(dāng)時(shí)他們是用俄語寫的論文，不能被世界其他地方人讀到，而且當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)跟其他國家的交往也沒有那么多，他們就錯(cuò)過了把這個(gè)科研成果公之于眾的機(jī)會(huì)。大家為此爭論不休的時(shí)候，科學(xué)家忽然在久遠(yuǎn)的大馬士革鋼刀里面發(fā)現(xiàn)了碳納米管，當(dāng)時(shí)的這個(gè)技術(shù)已經(jīng)失傳了。

大馬士革鋼刀存在于公元三世紀(jì)到十七世紀(jì)，現(xiàn)在我們又找回了這項(xiàng)技術(shù)，在那里我們也發(fā)現(xiàn)了碳納米管，而且碳納米管在里面是有一個(gè)增強(qiáng)和增韌的作用的。大馬士革刀非常鋒利，我找到的英文資料是這樣形容它的，一根頭發(fā)落在大馬士革鋼刀上面會(huì)被削成兩半，如果用大馬士革鋼刀去削一個(gè)步槍的槍管可以把它削斷。這跟我們中文形容刀快不是一樣的嗎？吹毛斷發(fā)，削鐵如泥。

碳納米管為什么會(huì)出現(xiàn)在大馬士革鋼刀里面呢？這個(gè)并不難理解，是因?yàn)槲覀冊(cè)跓掕F煉鋼的過程中有碳的存在，它就提供了碳源，同時(shí)有鐵的存在，鐵是一種催化劑，在今天講碳管的時(shí)候，還要大量地使用鐵。所以那個(gè)時(shí)候，在一定的工藝條件下生產(chǎn)出的大馬士革鋼刀里面有碳納米管就不奇怪了。

用透明膠帶分離出石墨烯

下面進(jìn)入我們的主題二維材料，一提到二維，我相信有很多大劉（劉慈欣）的粉絲想到三體里面講的二向箔，是一個(gè)維度打擊武器，可以讓一個(gè)三維世界在上面坍塌，有無窮的力量。

我們欽佩大劉的豐富的想象力。但是我們也知道，想象力一定是基于一些現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，好比說我們想到了一個(gè)長著翅膀、會(huì)飛的熊，是因?yàn)槲覀円娺^一只熊和翅膀，我們把它放在一起就出現(xiàn)了新的創(chuàng)意。

我也在想，大劉是不是受到了二維材料石墨烯的啟示，想到這樣一種結(jié)構(gòu)。石墨烯的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)單層的石墨，石墨我們大家非常熟悉，然而這個(gè)石墨烯是不是也像石墨那么普通？實(shí)際上不是的，石墨烯從石墨里面是分離出來的，我們承認(rèn)這一點(diǎn)。然而石墨烯給我們打開了一個(gè)廣闊的視野，告訴我們材料可以是以二維形式存在的。

作為一個(gè)材料科學(xué)家，我們受過的教育一直是二維材料這樣一層原子組成的結(jié)構(gòu)，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，它會(huì)坍塌。就仿佛說有一張紙有兩個(gè)足球場那么大，它自己無法支撐自己，除非放在什么上面才行。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家Dr。 Geim和Novoselov，他們兩個(gè)人在石墨里面分離出了石墨烯，給我們開闊了一個(gè)新的視野，以此為發(fā)端，至今為止，我們找到了上千種二維材料。

他們拿了一個(gè)膠帶，然后拿一塊石墨這樣反復(fù)粘。因?yàn)樗菍訝罱Y(jié)構(gòu)，一層一層被分開，最終會(huì)找到一些單層的結(jié)構(gòu)，然后把它轉(zhuǎn)移到一個(gè)基底上面去，就可以研究它了。

“黑金”石墨烯有多強(qiáng)？

1、力學(xué)性質(zhì)

石墨烯的力學(xué)性質(zhì)非常之強(qiáng)，它的力學(xué)拉伸強(qiáng)度達(dá)到130GPa，相當(dāng)于鋼鐵的一百倍。理論計(jì)算得到，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達(dá)到一毫米，它都能夠撐起一只大象的重量。它這么強(qiáng)的力學(xué)性能從何而來？就像我們開始講的——結(jié)構(gòu)決定了性質(zhì)。

它是一個(gè)二維結(jié)構(gòu)，碳和碳之間的鏈非常之強(qiáng)。在每一個(gè)碳周圍有三個(gè)鄰居，這三個(gè)鄰居形成的碳的鍵非常短，非常強(qiáng)，支撐了石墨烯的高強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)。

2、電學(xué)性質(zhì)

它的電學(xué)性質(zhì)很值得一提，它的電子遷移率可以達(dá)到200，000cm^2/Vs，是硅的一百倍。

什么是電子遷移率呢？就是說電子在這種材料里可以跑得多快。一個(gè)材料的導(dǎo)電性由兩件事情決定，一個(gè)是電子在里面跑多快，第二是有多少電子在里面跑。

大家可以想象一下高速公路，這條公路上限速是多少，車可以跑多快，以有多少車在上面跑決定了這條高速公路的運(yùn)力。所以我們?cè)陔娮悠骷圃熘校芏嗟臅r(shí)候我們希望有一個(gè)高運(yùn)力，這樣的話能加速器件的運(yùn)算速度。

第二，它的電流密度的承受能力非常之大。好比說我們有一個(gè)常用的導(dǎo)線，比如說金屬線銅線，我們通電流，如果電壓增加，電流增加到一定程度，電流會(huì)把銅絲燒斷。

但是石墨烯抗燒斷的能力非常之高，它可以達(dá)到銅的100萬倍！如果我們用石墨烯做導(dǎo)線的話可以大大降低導(dǎo)線的重量。而且最近的一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，在雙層石墨烯里面，如果轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它會(huì)有一些超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)。

但在電學(xué)性能中它有一項(xiàng)不足，就是它的零能帶隙，能帶[4]是關(guān)系到一個(gè)半導(dǎo)體的存在的。如果這個(gè)能帶合適，這就是個(gè)好的半導(dǎo)體。由于石墨烯是零能帶，它就不是半導(dǎo)體，它是個(gè)金屬性質(zhì)，那么做電子器件還是有一定的困難。科學(xué)家們正在克服這些零能帶造成的問題。

3、致密與大比表面積

它石墨烯是一個(gè)很致密的材料，由于它的鍵很短，就是原子和原子之間的距離很近，只有0.142nm。也就是說，包括氫氣、氦氣這么小的分子、原子都沒有辦法穿過它。它是一種很好的阻隔材料，比表面積可以達(dá)到2630m^2/g，就是說它的面積非常大。

我們看中間這張圖，就是用石墨烯組成了一個(gè)泡沫狀的結(jié)構(gòu)，它可以自己把自己支撐起來，但非常非常的輕。我們把它放在一個(gè)狗尾草上面，狗尾草看上去沒有任何的結(jié)構(gòu)上的變化。

我們可以用這些石墨烯來做一些過濾的材料，在上面開一些我們能控制尺寸的小洞，就可以分離不同的氣體或者是液體。比如海水里面的鹽的分離，空氣中的氧氣跟氮?dú)獾姆蛛x。

4、光和熱的性質(zhì)

石墨烯的光的性質(zhì)，因?yàn)橹挥幸环N碳源，只有一層碳原子，它的透光率可以達(dá)到97.7%，也就是說一層碳原子可以吸收2.3%的光。

這個(gè)是大還是小呢？實(shí)際上是一個(gè)很強(qiáng)的光吸收，大約50層石墨烯我們就可以把光完全吸收。這對(duì)于其他材料來說很難。但石墨烯可以，我們只用它其中的一層就夠了，這就使得它有很多可用的地方。

石墨烯的導(dǎo)熱性質(zhì)非常好，目前有兩種主要的導(dǎo)熱方式。一種叫電子導(dǎo)熱，就是一個(gè)材料如果它導(dǎo)電非常好的話，它的導(dǎo)熱往往也很好，比如說銅和鋁。

但是還有一種材料，它的導(dǎo)熱是不需要寄托于導(dǎo)電上的，它是靠聲子導(dǎo)熱的，就是說聲波的傳播速度，在石墨烯中聲波的傳播速度可以達(dá)到22km/s，所以它具有非常好的導(dǎo)熱效果。