互动科普

有一种材料，导电性能比所有金属都高出不少，强度比钢铁强出上百倍，导热性能超过我们所熟知的一切物质。它的厚度只有百亿分之3米，是人们能够制造出来的最薄的材料。然而，只要仔细检查铅笔，就能找到它的痕迹。这就是石墨烯，由碳原子构成的二维结构，也许将会把人类带入全新的太空时代和更快的信息时代的超级明星。碳元素在地球地壳中的丰度，虽然只能排在第15名左右，但却是地球上一切生命不可或缺的基础。我们这颗星球上所有的生命的基础是碳，我们使用的电能有2/3来源于各种碳的沉积，用来做为永恒见证的钻石是碳，最常用的书写工具铅笔，虽然名字里有一个“铅”字，但是能够留下痕迹的，却是石墨——也是碳。当我们在纸上用铅笔写字的时候，就会擦下一点点石墨和黏土。这一点点碳被纸面的纹路刮下来，等着被空气或者橡皮带走，直到只剩下浅浅的字迹。在这些痕迹里面，就能够找到碳的第五种形态——石墨烯。

直到20世纪80年代，人们还认为碳只有两种形态，呈片层状的石墨碳和面心晶格——六面体，每个定点和每个面的中心都各有一个原子的钻石就分别是这两种形态的代表。漆黑柔软滑腻能用做润滑剂的石墨和炫目坚硬足以切开其他一切物质的钻石都是碳的形态，在地球上的所有元素中，常温下同一种元素能够以这样巨大的差别呈现出来的，只此一种。1985年，罗伯特·科尔等人发现了碳60，也就是巴基球——又名“富勒烯”，以纪念提出这种结构的美国建筑师理查德·富勒。直到这时，人们才意识到碳原子还可以以这样的方式连接在一起。最早发现的巴基球由60个碳原子构成，如同足球一般，是六边形和五边形拼成的32面体。这种直径只有百亿分之7米的空心笼状结构让人们意识到，也许我们对于这种和生命关系最为紧密的元素还并不够了解。科尔等人的这一发现为他们带来了1996年诺贝尔物理学奖，在这时，人们已经能够制造出了从28个碳原子直到540个原子的、大小不等的巴基球。这可以算是零维的物质——它太小了，几乎就是一个点而已。随后，一维的碳形态也被找到了，这就是碳纳米管，以碳原子连接成的空心管极细，却拥有极好的导电导热性能和不可思议的强度。

石墨烯电子产品元件

今年，碳的另一种形态又让它的发明者得到了诺贝尔物理学奖，这次是二维的碳：厚度只有0.34纳米的几乎完全透明的碳原子薄膜——石墨烯。这种薄膜在诸多方面都有着惊人的表现，甚至完全颠覆了我们对物质的认识。石墨烯看上去就像是一张六边形网格构成的平面，每一个六边形单元实际上就是一个苯环。石墨烯就是这些苯环拼在一起构成的材料，就像是那种六边形的小马赛克铺满的整面墙壁一样。这种薄薄的材料有着惊人的稳定性、强韧性和导电性，即使被弯折之后，原子也不会错位或者脱离掉落。当用石墨烯叠在一起形成一片保鲜膜厚度的薄膜时，它就能展现出惊人的承载力。即使让一头大象站在图钉帽上，再把图钉尖压在薄膜上，也不能够刺穿它。这样的强度远超过现有我们所知的任何建筑材料，而且它的重量更是只有钢材重量的1/6。人们对石墨烯寄予厚望，甚至认为它能够帮助我们迈入下一个太空时代：人们将不再需要通过昂贵的火箭来运送宇航员和太空站的零件，而只是通过一根结实的、另一端拴在地球同步卫星上的绳索，一部太空电梯就能够将人和货物送到地球上空36000公里的同步轨道上去。而到目前为止，再没有比石墨烯更适合制造这根缆绳的材料了。而石墨烯的优良导电性，也能够帮助我们开发出更快更小的计算机芯片，让一切需要芯片的电子设备都变得更小更强，让摩尔定律继续生效下去。它也许能够将晶体管的大小缩小到分子级别，让灰尘大小的计算机拥有如同现在家用机般的性能。在石墨烯中，电子移动的速度远远超过了金属或者半导体中的运动速度，就好像它们比普通的电子轻很多似的。

石墨烯的发现者也相当具有传奇性：现任教于英国曼彻斯特大学和荷兰奈梅亨大学的安德烈·海姆，是世界上惟一一位获得了“搞笑诺贝尔奖”和正牌诺贝尔物理学奖的科学家——他在2000年因为著名的“磁悬浮青蛙”实验而获得了前一个奖项，这个由《不可思议研究》杂志主办的奖项用来颁发给那些“乍看之下令人发笑，之后发人深省”的科学研究。而他曾经写过的一篇关于范德瓦尔斯力（距离很近的分子之间产生的作用力）产生强大黏性的严肃论文中，居然用了一张蜘蛛侠玩具的照片来做展示，并且堂而皇之地刊载在顶级学术期刊上。从这些光荣事迹中能够看出，安德烈·海姆并不是那种会通过普通方法来解决问题的人。在今年诺贝尔奖公布的时候，海姆刚刚过完52岁的生日，而诺沃肖洛夫则只有36岁，是诺奖获奖者中少见的年轻人。这两位在实验室里玩得不亦乐乎的玩家，也许会将我们带进一个无法想象的新时代；而最重要的是，他们也在自己的研究当中，获得了无穷的乐趣。

（本文发表于《科学世界》2010年第11期）