石墨烯：比钢强 200 倍，比纸轻 1,000 倍 _石墨烯

文章插图
一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。
2004 年，曼彻斯特大学的两名科学家进行了一项看似简单的实验，其结果可能会改变世界。研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫正在玩弄石墨，铅笔尖上的东西。石墨是由超薄的纯碳片堆叠而成。Geim 和 Novoselov 想看看他们是否可以分离出单片石墨，这是一种难以置信的薄碳层，只有一个原子厚。
于是，他们抓起一卷胶带。是的，塑料涂抹器中的透明胶带与您放在垃圾抽屉中的透明胶带相同。根据 BBC 的报道，Geim 是这样描述他的技术的。
“你把[胶带]放在石墨或云母上，然后剥掉顶层。胶带上会脱落石墨片。然后你把胶带对折，粘在上面的薄片上，然后再把它们分开。然后你重复这个过程 10 或 20 次。每次，薄片分裂成越来越薄的薄片。最后，你的胶带上只剩下非常薄的薄片。你溶解胶带，一切都变成了溶液。”
粘胶带的方法奏效了！通过分离单层碳片，Geim 和 Novoselov 发现了一种名为石墨烯的全新材料，现在人们认为这种材料是地球上最强、最轻和最导电的物质。
【石墨烯：比钢强 200 倍，比纸轻 1,000 倍】2010 年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而分享诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始呼吁如何使用这种非凡的“超级材料”来制造更强大、更持久的电池、更快的微芯片、柔性电路、可植入的生物传感器和更多。十年后，石墨烯尚未兑现其大肆宣传的承诺，但业内人士相信，我们最终将在未来几年内看到使用石墨烯技术的智能手机、电动汽车和传感器。
为什么石墨烯是一种超材料？
测量只有一个原子厚，一片石墨烯检查了超级材料的所有盒子：
按重量计算，石墨烯的强度是钢的 200 倍。
它比纸轻 1,000 倍。
它的透明度为 98% 。
在室温下，它的导电性比任何其他已知材料都要好。
它可以将任何波长的光转换为电流。
而且，最后但并非最不重要的是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四丰富的元素，所以我们不太可能用完
石墨烯从其结构中获得超能力。如果你能放大到足够近，你会看到一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。单个碳原子以类似于铁丝网的六边形图案排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳元素共价键合，这使材料具有令人难以置信的强度。
为什么石墨烯的导电性这么好？同样，由于这些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳都有四个电子，但其中只有三个电子与其相邻的三个碳原子共享。剩下的电子被称为pi 电子，它可以在三维空间中自由移动，这使得它可以几乎没有阻力地在石墨烯片上传输电荷。事实上，在任何已知物质中，石墨烯是室温下导电速度最快的导体。

文章插图
在 Cabot 公司，高级研究员 Matt Hesketh 研究了三个小瓶中石墨烯的进展。左边的小瓶是石墨，中间的小瓶是膨胀石墨，右边的小瓶是石墨烯。
“魔角”
最近的一项发现可能会为石墨烯的吹嘘清单增加另一个超级大国。麻省理工学院 (MIT) 的一个团队正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——时他们偶然发现了石墨烯的一种近乎神奇的新特性。当这些层彼此略微偏离旋转时——正好是 1.1 度的位移——石墨烯变成了超导体。超导体是最稀有的一类材料，可以完全无电阻和零热量地导电。
石墨烯“魔角”的发现在科学界掀起了轩然大波。尽管该实验是在极低的温度（接近 0 开氏度或负 459.67 F）下进行的，但它开辟了一种可能性，即通过将石墨烯与其他超导元素结合，我们比以往任何时候都更接近室温超导性。这样的成就将从根本上提高从小工具到汽车再到整个电网的一切的能源效率。
石墨烯将如何改变技术？
纳米技术教授兼剑桥石墨烯中心主任安德里亚·法拉利说，超导电性还有几十年的时间，但革命性的基于石墨烯的产品将更快地推向市场。
“到 2024 年，市场上将出现各种各样的石墨烯产品，”法拉利说，“包括电池、光子学、夜视相机等等。”
多年来，消费者一直热切期待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度都相对较慢，很快就会流失电量并在一定次数的循环后烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。