互动科普

每个人都用过铅笔。虽然它很不起眼，但仔细研究一下，我们就会惊奇地发现，这种书写工具称得上是一种高科技产品。在历史上，由于石墨在制造炮弹时的特殊作用，铅笔曾经被当作军事战略物资，禁止出口。更让人意想不到的是，当我们用铅笔写字作画时，一种新型材料便出现在铅笔笔痕中了——虽然数量很少。这种新型材料，就是石墨烯（graphene），它现在可是物理学和纳米科学中最热门的研究对象。

石墨烯来源于石墨（graphite）。石墨是由碳元素形成的一种单质，为层状结构。几个世纪以前，人们就发现了石墨的层状结构，所以物理学家和材料学家们都很自然地尝试将这种矿物质一层层地剥离开，并给单独的一层起名叫“石墨烯”。石墨烯的几何结构非常简单：由单个碳原子排列组合而成，呈六边形网状结构，只有一个原子那么厚。

但多年以来，所有企图制备石墨烯的实验均告失败。最早，科学家想用化学剥离法（chemical exfoliation）制备石墨烯，即在石墨相邻的原子面之间（即层与层之间）插入各种各样的分子，以此达到层层分离的目的。尽管在某一瞬间，石墨烯几乎要被分离出来，但它们单独存在的时间太短暂，科学家根本无法观察到它们。实验的最终产物通常是一团石墨浆，看上去就像潮湿的烟灰。屡遭失败后，人们渐渐对这种化学剥离方法心灰意冷了。

科学家们并没有放弃，他们开始尝试一种更直接的方法：用石墨晶体跟其他物质摩擦，分离得到了由较少碳原子层构成的薄片。这种方法叫做微机械剥离法（micromechanical cleavage），尽管看上去有些粗野，却非常有效。运用这种手段得到的石墨薄片，碳原子层数还不超过100，可以说是相当薄了。1990年，德国亚琛工业大学的物理学家制备的石墨薄片，甚至已经薄到透光了。

10年后，在美国哥伦比亚大学研究生张远波（Yuanbo Zhang）的协助下，本文作者之一菲利普·金改良了微机械剥离法，创造出一种高科技铅笔——我们称之为“纳米铅笔”。纳米铅笔“写”出笔痕，实际上就是一块仅有几十个碳原子层厚的石墨薄片（参见第67页插图）。然而，这样的石墨薄片还不是石墨烯——当时也没人能够想到，自然界真的会存在石墨烯。

2004年，设想终于成为了现实。本文另一位作者海姆和他的博士后助手科斯塔亚·S·诺沃肖洛夫（Kostya S. Novoselov），以及他在英国曼彻斯特大学的同事们，在尝试过多种方法后，制备出了更薄的石墨薄片样品。那时，几乎所有的研究小组都在尝试从碳灰（soot）中获得石墨烯，但海姆和他的同事偶然发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特制的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片（参见第69页图文）。这样的薄片积累多了之后，研究者惊讶地发现，部分样品竟然仅仅由一层碳原子构成，也就是说，他们制出了石墨烯。更令人吃惊的是，近期的研究显示，石墨烯还能够在常温常压下保持化学稳定性。

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是所有已知材料中最薄的一种，还非常牢固和坚硬；作为一种单质结构，它在室温下传递电子的速度比所有已知导体都快。全球各个实验室的工程师也都在研究这一材料，确定能否将它制成各种产品，比如新型的超硬复合材料，或者精确的气敏元件，甚至量子计算机。

石墨烯在原子尺度上的结构非常特殊，这为物理学家研究那些必须用相对论量子物理学（relativistic quantum physics）才能描述的现象提供了可能。其中一些可以算是自然界中最奇特的现象，重要性甚至可以与天体物理学家和高能物理学家使用价值数百万美元的天文望远镜和价值数十亿美元的粒子加速器观察到的现象媲美。石墨烯的出现，使研究人员在实验室里，就能对相对论量子力学中的一些预言进行验证。

认识石墨烯家族

在我们的生活中，铅笔随处可见，但它并非诞生于古代文明最发达的中国和希腊。16世纪，英国人发现石墨在自然界中大量存在，但当时他们并不管这种物质叫“石墨”，而是称它们为“铅矿石”（plumbago，拉丁文，现在这一单词的意思是石墨）。英国人很快将石墨制成方便人们使用的形状，用它取代鹅毛笔和墨水来书写。这就是铅笔的雏形，它很快就在欧洲知识分子中流行开来。

直到1779年，瑞典化学家卡尔·舍勒（Carl Scheele）才发现，石墨并不是铅，而是碳。10年后，德国地质学家亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳（Abraham Gottlob Werner）建议，将这种物质的名称改为石墨，即graphite，它在希腊文中是“书写”的意思。与此同时，军需品生产者还发现了这种易碎矿石的另外一种用途：在铸造炮弹时，石墨是一种非常理想的模具内层材料。因此，在拿破仑时期（1799-1814），英国国王下令禁止向法国出口石墨和铅笔。

最近几十年，科学界又掀起了对石墨的研究热潮。科学家们发现了数种此前从未观察到的碳分子结构。其中最著名的一种结构类似于足球，因此被称为巴基球（buckyball，也叫足球烯、巴克球等），它是在1985年由美国化学家罗伯特·柯尔（Robert Curl）、理查德·E·斯莫利（Richard E. Smalley），和英国人哈里·克罗托（Harry Kroto）共同发现的。6年后，一位叫做饭岛澄男（Sumio Iijima）的日本科学家发现了一种蜂窝状柱形结构——碳纳米管。尽管在20世纪80年代，很多研究者就报道过碳纳米管，但那时并没有发现这种结构的重大意义。上述两种分子结构都属于富勒烯（fullerene）。值得一提的是，富勒烯和巴基球的命名都是为了纪念美国一位富有想象力的建筑师兼工程师——巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller），他在科学家发现这些碳分子结构之前，便提出了这样的结构概念。

六边形网格

石墨、富勒烯和石墨烯，都由碳原子按同样的基本结构排列而成。每一个基本结构单元都有6个碳原子，它们紧密结合在一起，形成一个六边形，也是就是化学里常说的苯环。

从结构层次来看，如果苯环是最基本的结构，石墨烯就是下一个等级，它是由许许多多的苯环相互拼接形成的一张薄片，看上去就像一张六边形的网格（参见上图）。巴基球和其他一些非管状富勒烯类物质，都可以看作由石墨烯形成的原子尺度的球体或椭球体；碳纳米管则是由石墨烯卷成的一根微小圆柱；石墨是一种由多个石墨烯层重叠而成的三维物质，相对较厚，层与层之间结合力较弱——这种分子间作用力叫做范德华力（van der Waals force）。由于相邻的石墨烯层间作用微弱，石墨很容易被分离成极薄的薄片。当我们用铅笔写字时，纸上留下的字痕就是这些石墨薄片。

尽管科学家发现富勒烯的时间很晚，但实际上，它们早就存在于我们身边。烧烤架上的碳灰里就有富勒烯，不过数量不多；毫无疑问，石墨烯虽然一直未被发现，也同样存在于我们身边，比如铅笔的笔痕之中。自从它们被发现以后，科学界就对这些分子予以了极大的关注。

巴基球之所以著名，主要是因为它是新型基本分子中的一个典型例子。当然，它也有很多重要的应用，比如药物输送等。碳纳米管更是具有一系列新奇性质，包括化学特性、电子特性、机械特性，还有光学特性和热学特性等等。这些性质将在我们的各项应用中引发一场大范围革命。它极有可能取代硅，成为制造微芯片的新材料；也可以被制成一种更轻质、更结实的材料，来取代纤维。作为各种石墨形式的“母体”，石墨烯尽管在几年前才被人发现，但和其他“家庭成员”相比，它的基本物理性质吸引了人们更多关注，也拥有更美好的应用前景。

例外的例外

石墨烯有很多特性，其中两种使它异于其他材料。石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。石墨烯完美的晶格结构让人觉得该材料应该很僵硬，但事实并非如此。各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定。

这种稳定的晶格结构，使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力非常强，在常温下，就算周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。

接下来，我们看看石墨烯的第二个特性。它的导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度，就好像它们比正常电子轻很多一样。实际上，石墨烯里的电子也许用“载荷子”（electric charge carrier）这个术语来描述，才更为恰当。它们仿佛是生活在另一个奇异世界中的古怪生物，那个世界里的物理规律与相对论量子力学（relativistic quantum mechanics）十分相似。石墨烯的内部结构是独一无二的，到目前为止，人们还未发现第二种物质具有这样的结构——铅笔芯引出了一种新型材料，也正是由于这种材料的发现，使相对论量子力学摆脱了宇宙学和高能物理学的束缚，正式走进实验室。

推进物理学的碳平面

为了直观体现石墨烯中载荷子不可思议的性质，我们对比了电子在普通导体中的移动方式。尽管电流中的电子通常被称为“自由”电子，但金属材料的电子其实并非完全自由，电流里电子的移动方式和电子在真空中的移动完全不同。电子带有负电荷，当它们通过金属从一个地方移动到另一个地方之后，原来那个地方的金属原子就会有电荷缺失。因此，当电子在晶格内移动时，就会和由它们自身产生的静电场相作用。静电场会用一种复杂的方式对这些电子反复施加拉力和推力，最终的结果就是，在晶格中移动的电子，质量似乎发生了变化，和正常情况下有一定差异。科学上把电子受到影响后表现出来的新质量称为有效质量（effective mass），物理学家又把这种载荷子称为准粒子（quasiparticle）。

这些带有一个负电荷的准粒子，移动速度比光通过金属导体时的速度慢很多。因此，在解释它们的运动时，不需要用到爱因斯坦的相对论——相对论只在研究移动速度接近光速的物质时才会有明显效果。相反，这种在导体中运动、与静电场相互作用的准粒子，可以用牛顿的经典力学和普通量子力学来描述。

当电子通过石墨烯中由碳原子构成的六边形晶格网时，它们就变成了一种准粒子。令人惊讶的是，这种在石墨烯中运输电荷的准粒子，性质与电子有很大的区别。事实上，和这种准粒子最相似的是另一种基本粒子——中微子（neutrino，在意大利语里是中性小颗粒的意思），它几乎没有质量。从中微子的名字可以看出，它是电中性的，而石墨烯中的准粒子却携带了和电子一样的电荷。由于中微子以近乎光速运动，无论是它的动能还是动量，都必须通过相对论来描述。类似地，在石墨烯中，准粒子也以恒定的速度运动，速度为光速的1/300左右。虽然在运动速度上和中微子相差甚远，但这种准粒子的性质和相对论性的中微子非常相似。

普通的非相对论量子力学（nonrelativi-stic quantum mechanics）无法准确描述石墨烯中相对论性准粒子的运动。物理学家必须在现有理论基础上，建立一套更加复杂的理论框架——相对论量子力学，现在也被称为量子电动力学（quantum electrodynamics）。这套理论拥有一套特有的术语，核心就是狄拉克方程，这个方程是英国物理学家保罗·A·M·狄拉克（Paul A. M. Dirac）在20世纪20年代提出的，理论物理学家因此也把在石墨烯中运动的电子称为无质量狄拉克准粒子。

凭空而生的粒子

不幸的是，在解释量子电动力学的时候，那些固有的直观感觉不可避免地会跳出来干扰我们的思维。也许量子电动力学永远让人觉得很别扭，但我们必须去熟悉它，熟悉那些看似矛盾的现象。量子电动力学中的矛盾常常源于这样一个事实：相对论性粒子总是和它们的反粒子（antiparticle）形影相随。电子的反粒子是正电子（positron），它和电子质量相同、电荷相反。正反粒子对可以在相对论性条件下产生，因为对于一个运动速度极快的高能物体来说，创造一对“虚粒子”（virtual particle）几乎消耗不了多少能量。不可思议的是，虚粒子对是在真空中凭空产生出来的。

为什么会这样呢？我们可以用量子力学中的海森堡不确定性原理（Heisenberg’s uncertainty principle）来解释：对于物质成对的性质，例如某一事件发生的时间和涉及的能量，我们对其中之一（时间）知道得越精确，对另外一个（能量）的了解就越不精确。在极短的时间里，能量可以为任意值。根据爱因斯坦著名的质能方程E = mc2，能量等同于质量，因此，等同于正反粒子对总质量的能量可以从虚无中产生。一对正负虚电子可以从真空中“借取”能量，在转瞬间实现“无中生有”。不过它们很快就会相互湮灭，把借来的能量“归还”给真空。整个过程非常短暂，目前还无法探测到。

量子电动力学中真空的这种有趣而古怪的动力学性质，会产生许多非常奇特的效应，比较著名的就是克莱因佯谬（Klein paradox）。在克莱因佯谬描述的环境里，相对论性物体可以通过所有势垒，不管势垒有多高或多宽（参见左页图文）。举个例子来说，中间一块谷地，周围都是高山，这就是最常见的势垒了。一辆卡车从山脚驶向山顶，它就获得了势能，同时也消耗了汽油燃烧所提供的能量。当卡车到达山顶后，它不借助发动机和汽油，就可以滑下山去，它此前获得的势能就转换成了卡车向下滑行的动能。

测试奇特预言的工具

粒子也可以很容易地从势能相对较高的地方移动到势能较低的地方，就像卡车从山顶滑下一样。但如果一个粒子位于低势能的“谷地”，而周围都是高势能的“山峰”，这个粒子就会像耗尽汽油的卡车，无法逃出山谷。在普通非相对论量子力学里，汽车和山峰就是对上述情景的一个放大而形象的比喻。本文前面曾提到海森堡不确定性原理，它还有另外一种表述方式，按照这种表述，确定粒子的实际位置是做不到的，物理学家因此用概率来描述粒子的位置。由此，可以得出一个奇怪的推论：即使低能量粒子看上去好像被势垒“拦截”而无法通过，我们仍然有可能在势垒的另一侧发现该粒子的身影。如果真是这样的话，粒子通过能量势垒的诡异过程就只能用量子隧道效应（quantum tunneling effect）来解释了。

在非相对论量子隧道理论中，低能粒子穿透高能势垒的几率会根据情况发生变化，但可能性永远不会是100%。随着势垒变高变厚，穿越的可能性也随之减小。但克莱因佯谬彻底改变了量子隧道的性质。克莱因佯谬认为，相对论性粒子可以很轻易地穿越又高又宽的势垒，成功率高达100%。粒子遇到势垒时，就会转换成它的反粒子——之所以称之为反粒子，是因为它对的世界的感受与正常观念相反，真实世界里的山峰，在反粒子看来就成了山谷。反粒子很容易就通过了这个反物质世界的“山谷”，到达势垒的另外一边后，再变回普通粒子，看上去就跟没有遇到障碍似的。即使在许多物理学家看来，量子电动力学里的这些预言看上去也是极度不合常理的。

这样一个古怪的预言急需得到实验的证明，但很长一段时间里，科学家都不清楚克莱因佯谬到底能不能得到检验，哪怕仅仅在理论上得到检验。现在，石墨烯中的无质量狄拉克准粒子终于证实了这一预言。在石墨烯中，克莱因佯谬所描绘的现象很容易被观察到。事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压，也就是电势差（相当于一个势垒），当携带电荷的无质量狄拉克准粒子在晶体中移动时，实验人员就可以测定这种材料的电导率。一般认为，增加了额外的势垒和势界，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。现在，研究人员正在测量粒子通过不同高度的势垒时产生的电流。物理学家还希望，石墨烯能够帮助他们证明量子电动力学所预言的其他一些奇特现象。

真的是二维平面吗？

现在就断言石墨烯的应用前景，还为时过早。但十多年来，科学家对碳纳米管（即石墨烯卷起来形成的无缝中空的碳管）的研究，为石墨烯的应用开了一个好头。我们有理由相信，在碳纳米管能派上用场的地方，它的“扁平兄弟”——石墨烯也能胜任，甚至有些人已经在石墨烯领域投入了巨额资金。石墨烯各种各样的应用需求，使得我们必须实现它的规模化生产。目前，多个技术研究小组都在致力于改进石墨烯的生产技术，以提高产量。尽管粉末状的石墨烯已经能够实现量产，但制备片状石墨烯还非常困难。从这个角度来讲，片状石墨烯可能是世界上最昂贵的材料了：一片通过微机械剥离法制得的石墨烯微晶（crystallite），还不及人类一根头发丝的厚度，价值就超过1,000美元。美国和欧洲的多家研究机构，例如美国佐治亚理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校和西北大学等，都使用了类似于半导体产业中经常采用的技术，在碳化硅基片上生长出了石墨烯薄片。

与此同时，全世界的工程师都在努力研究石墨烯，挖掘它所特有的、非常理想的物理学和电子学性质（参见左页插图）。石墨烯的表面积与体积之比非常高，很容易被制成坚韧的复合材料；石墨烯极薄，可以制成更加高效的场发射器（field emitter）——这是一种针状设备，能在强电场环境中释放电子。

给石墨烯施加电场，就可以对它的性质进行微调，从而改良超导材料，或制造所谓的“自旋晶体管（spin-valve transistor）”和超灵敏化学检测器。由多层石墨烯叠合而成的薄膜，还可以作为一种透明导电涂层，在液晶显示器和太阳能电池中广泛应用。我们期待在不久的将来，以上种种设计都能出现在现实生活当中。

延长摩尔定律的寿命？

石墨烯的用途非常广泛，特别值得一提的一个工程应用方向，就是以石墨烯为基础的电子器件。我们一直在强调，石墨烯中载荷子的移动速度非常快，而且当它和晶格中的原子发生散射或碰撞时，也只会损失相对较少的能量。这些性质使得石墨烯非常适合用来制造所谓的“弹道晶体管（ballistic transistor）”——一种有着超高振荡频率的器件，比现有的所有晶体管都快得多。

石墨烯能否使得摩尔定律（Moore’s law，参见环球科学小词典）在微电子工业延续下去？这是人们目前关注的焦点。戈登·摩尔（Gordon Moore）是电子工业的先驱，40多年前，他指出单位面积上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍。但由于晶体管的尺寸总是有极限的，科学家曾多次宣布集成电路小型化的道路总会走到头。石墨烯具有良好的稳定性和超强的导电能力——甚至在纳米尺度上也是如此，利用这些特性，人们可以制造出尺寸远远小于10纳米的单个晶体管，甚至只有一个苯环那么大。我们可以想象，在未来，整个集成电路都可以在单层石墨烯薄片上刻蚀出来。这样，摩尔定律就能够延续了。

无论怎样，我们将在未来几十年中，充分享受这种只有一个原子厚的理想材料带来的种种便利。工程师们还将继续为大家带来基于石墨烯的更多创新性产品，物理学家也将进一步研究它的奇异量子特性。几个世纪来，普普通通的铅笔中，竟然隐藏了这么多秘密，好在我们终于发现了这种让人惊叹的美妙材料。