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石墨烯作為一種納米材料經常出現在新聞里，它被媒體鼓吹為“新材料之王”，這是言過其實？還是確有其事？看上去，這種“新材料”與我們的距離非常遙遠。而實際上，它早已出現在生活之中，只是沒被察覺罷了。比如石墨烯口罩已經面世，而且其防霧霾效果遠遠優(yōu)于市面上的口罩。


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，那么一個材料優(yōu)質的性能從哪里來？大家想過這個問題嗎？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、二氧化碳的價值差距這么大？

比如鉆石和石墨兩種材料，他們都是由碳構成的，但是這種兩種材料在我們日常生活中價值似乎完全不同。

鉆石顏值很高，價格很貴，它透明、堅硬、絕緣。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松軟的、導電的，兩種材料完全相反，然而它們都是實實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，那么你就覺得這個呼吸好值錢。

結構不一樣造成了性質的不一樣，我們可以看到，在圖中鉆石是一個三維結構，而石墨在二維層面有一個很強的化學鍵連接，在層和層之間是一種很弱的化學鍵，叫范德華力[1]的連接，這就造成了它們性質的巨大的不同。

我們今天要談的是個納米碳材料，那我們就看看在納米的結構里面，材料的結構對材料的性質究竟會造成什么樣的影響。

為什么〇維碳獲得了諾獎，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構，它是一種五邊形和六邊形拼湊起來的，跟足球非常像，所以它有一個另外的名字叫“足球烯”。如果我們在足球的每一個拼湊的鍵點上放一個原子，我們就完全相同地制造了一個碳60的這樣的一個分子結構。

這個分子是在1986年被兩位美國科學家和一位英國科學家發(fā)現的，并由此獲得諾貝爾化學獎。富勒烯[2]的發(fā)現加深了我們對宇宙中含碳分子的認識、碳的演化的認識，以及對芳香族[3]物質的理解。

一維碳材料——碳納米管，我們可以看到它是一個管子狀的結構，它的直徑大約在一納米上下。這個材料是由日本NEC的科學家飯島澄男發(fā)現的。

1991年，當時由于透射電鏡的技術的發(fā)展，他可以很清楚地看到這樣的一個管式結構。這個碳管在我們做納米材料的領域中非常重要，因為他使納米材料進入了普通人的視野，而他在科學界也掀起了納米材料的高潮。

納米管有很多奇異的性質，我們似乎覺得碳60獲了諾獎，碳管是不是也應該獲得諾獎呢？但他并沒有，當然諾獎的委員會有不同的考慮，但是有一個原因可能讓大家對它有點憂慮。

飯島澄男發(fā)現了碳管的時候，有許多人跳出來說，我早就發(fā)現了，我冤枉。也有好多團隊這樣跳出來，最著名的應該是前蘇聯的科學家，在1952年的時候他們就看見了納米碳管的影子。

但由于當時他們是用俄語寫的論文，不能被世界其他地方人讀到，而且當時的蘇聯跟其他國家的交往也沒有那么多，他們就錯過了把這個科研成果公之于眾的機會。大家為此爭論不休的時候，科學家忽然在久遠的大馬士革鋼刀里面發(fā)現了碳納米管，當時的這個技術已經失傳了。

大馬士革鋼刀存在于公元三世紀到十七世紀，現在我們又找回了這項技術，在那里我們也發(fā)現了碳納米管，而且碳納米管在里面是有一個增強和增韌的作用的。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被削成兩半，如果用大馬士革鋼刀去削一個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。

碳納米管為什么會出現在大馬士革鋼刀里面呢？這個并不難理解，是因為我們在煉鐵煉鋼的過程中有碳的存在，它就提供了碳源，同時有鐵的存在，鐵是一種催化劑，在今天講碳管的時候，還要大量地使用鐵。所以那個時候，在一定的工藝條件下生產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，是一個維度打擊武器，可以讓一個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實的基礎，好比說我們想到了一個長著翅膀、會飛的熊，是因為我們見過一只熊和翅膀，我們把它放在一起就出現了新的創(chuàng)意。

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

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

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

他們拿了一個膠帶，然后拿一塊石墨這樣反復粘。因為它是層狀結構，一層一層被分開，最終會找到一些單層的結構，然后把它轉移到一個基底上面去，就可以研究它了。

“黑金”石墨烯有多強？

1、力學性質

石墨烯的力學性質非常之強，它的力學拉伸強度達到130GPa，相當于鋼鐵的一百倍。理論計算得到，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達到一毫米，它都能夠撐起一只大象的重量。它這么強的力學性能從何而來？就像我們開始講的——結構決定了性質。

它是一個二維結構，碳和碳之間的鏈非常之強。在每一個碳周圍有三個鄰居，這三個鄰居形成的碳的鍵非常短，非常強，支撐了石墨烯的高強的力學性質。

2、電學性質

它的電學性質很值得一提，它的電子遷移率可以達到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。一個材料的導電性由兩件事情決定，一個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力。所以我們在電子器件制造中，很多的時候我們希望有一個高運力，這樣的話能加速器件的運算速度。

第二，它的電流密度的承受能力非常之大。好比說我們有一個常用的導線，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，電流會把銅絲燒斷。

但是石墨烯抗燒斷的能力非常之高，它可以達到銅的100萬倍！如果我們用石墨烯做導線的話可以大大降低導線的重量。而且最近的一個新發(fā)現，在雙層石墨烯里面，如果轉動一個角度，它會有一些超導現象出現。

但在電學性能中它有一項不足，就是它的零能帶隙，能帶[4]是關系到一個半導體的存在的。如果這個能帶合適，這就是個好的半導體。由于石墨烯是零能帶，它就不是半導體，它是個金屬性質，那么做電子器件還是有一定的困難。科學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泡沫狀的結構，它可以自己把自己支撐起來，但非常非常的輕。我們把它放在一個狗尾草上面，狗尾草看上去沒有任何的結構上的變化。

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，空氣中的氧氣跟氮氣的分離。

4、光和熱的性質

石墨烯的光的性質，因為只有一種碳源，只有一層碳原子，它的透光率可以達到97.7%，也就是說一層碳原子可以吸收2.3%的光。

這個是大還是小呢？實際上是一個很強的光吸收，大約50層石墨烯我們就可以把光完全吸收。這對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。

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

但是還有一種材料，它的導熱是不需要寄托于導電上的，它是靠聲子導熱的，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到22km/s，所以它具有非常好的導熱效果。 

原標題：石墨烯口罩可防霾？新材料之王的石墨烯是否名副其實