縱觀諾(nuo)(nuo)貝爾獎的(de)歷史，可以發現很少有(you)如此(ci)“年(nian)輕(qing)”的(de)研究成(cheng)果。歷年(nian)來，只要是(shi)自(zi)然科學類的(de)研究，從取得成(cheng)果到獲得諾(nuo)(nuo)貝爾獎，大(da)多(duo)數(shu)要間隔幾(ji)十年(nian)之(zhi)久(jiu)。比如試管嬰兒(er)技術早在1976年(nian)就(jiu)出現了(le)，然而直到有(you)300多(duo)萬的(de)試管嬰兒(er)誕(dan)生后，這(zhe)項成(cheng)果才獲得了(le)2010年(nian)度(du)的(de)諾(nuo)(nuo)貝爾生物(wu)與醫(yi)學獎。那么近(jin)十年(nian)里來物(wu)理學獎的(de)主角“石墨烯”是(shi)怎(zen)樣被發現的(de)，又是(shi)憑借什么得到了(le)諾(nuo)(nuo)獎評委的(de)青睞呢？
得來全不費工夫
發現石墨烯(xi)的過(guo)程很(hen)曲折，卻(que)又很(hen)簡單(dan)。
石(shi)(shi)墨烯是(shi)一種(zhong)從(cong)石(shi)(shi)墨材料(liao)中(zhong)剝離(li)出的(de)(de)(de)(de)單層(ceng)碳原子面材料(liao)，是(shi)碳的(de)(de)(de)(de)二(er)維(wei)(wei)結(jie)構。這(zhe)種(zhong)石(shi)(shi)墨晶體薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)厚度只(zhi)有0.335納米(mi)(1納米(mi)=10億分之一米(mi))，把20萬片薄膜(mo)疊(die)加(jia)到(dao)一起(qi)，也只(zhi)有一根頭發(fa)絲那(nei)么(me)厚。早(zao)在(zai)(zai)20世紀40年代(dai)，就(jiu)有科學家對類似石(shi)(shi)墨烯的(de)(de)(de)(de)結(jie)構進行過理論研(yan)究(jiu)，但很(hen)長的(de)(de)(de)(de)一段時間里，他們用盡(jin)了(le)各種(zhong)方法，卻始終沒能(neng)成功地(di)獲得單層(ceng)石(shi)(shi)墨烯。由此很(hen)多人認為，在(zai)(zai)有限(xian)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度下(xia)這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)二(er)維(wei)(wei)材料(liao)是(shi)不可能(neng)穩(wen)定存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)。
當(dang)然(ran)，也有另(ling)外一些人堅持(chi)自己(ji)的觀點，并用(yong)實際行動來(lai)證明。哥(ge)倫比亞的年輕教(jiao)授菲利(li)普·金(jin)（P. Kim）帶領的科研小組一直在(zai)嘗(chang)試剝(bo)離石(shi)(shi)墨烯(xi)，用(yong)的方法看(kan)上去(qu)相當(dang)“高科技”。他們用(yong)AFM（原(yuan)子力(li)顯(xian)微鏡）的針尖掃過(guo)石(shi)(shi)墨頂端，企(qi)圖依靠針尖的力(li)量帶下來(lai)幾片石(shi)(shi)墨烯(xi)，但仍以失(shi)敗而告終(zhong)。
相對來說(shuo)，海姆和諾(nuo)沃(wo)謝洛夫(fu)(fu)的(de)(de)方法就(jiu)太“簡(jian)陋”了(le)。據海姆介紹，這(zhe)個(ge)(ge)瘋狂實驗最初是(shi)交給一(yi)(yi)(yi)位(wei)新(xin)來的(de)(de)中國博(bo)(bo)士(shi)生(sheng)的(de)(de)。他們(men)買(mai)了(le)一(yi)(yi)(yi)大塊高定向裂解石墨(mo)(mo)，讓(rang)這(zhe)位(wei)博(bo)(bo)士(shi)生(sheng)在一(yi)(yi)(yi)臺很好的(de)(de)拋光(guang)機上研磨(mo)，越(yue)薄(bo)越(yue)好。三個(ge)(ge)星期(qi)后(hou)，博(bo)(bo)士(shi)生(sheng)跑(pao)來說(shuo)成(cheng)功了(le)。但(dan)實際(ji)上，獲得(de)的(de)(de)石墨(mo)(mo)片(pian)仍(reng)然厚達10微米，相當(dang)于1000層(ceng)石墨(mo)(mo)烯(xi)。海姆問：“你(ni)能否再(zai)研磨(mo)得(de)薄(bo)一(yi)(yi)(yi)點？”博(bo)(bo)士(shi)生(sheng)說(shuo)，需要另(ling)一(yi)(yi)(yi)塊石墨(mo)(mo)，這(zhe)得(de)花300美元(yuan)。海姆沒有再(zai)買(mai)一(yi)(yi)(yi)塊石墨(mo)(mo)，他和他的(de)(de)助手(shou)諾(nuo)沃(wo)謝洛夫(fu)(fu)決定用(yong)透明膠(jiao)帶來試試。之所以想(xiang)到透明膠(jiao)帶，是(shi)因為研究小組(zu)當(dang)時引進了(le)一(yi)(yi)(yi)位(wei)技(ji)術員(yuan)(yuan)來搭建低溫掃描(miao)隧道顯微鏡，而這(zhe)位(wei)技(ji)術員(yuan)(yuan)清(qing)潔(jie)石墨(mo)(mo)樣品表面的(de)(de)方法就(jiu)是(shi)用(yong)透明膠(jiao)帶把石墨(mo)(mo)表層(ceng)粘掉。這(zhe)提醒了(le)他們(men)，如果不斷地粘起、撕開，就(jiu)可以得(de)到更(geng)薄(bo)的(de)(de)薄(bo)膜。
反復粘上(shang)10到(dao)(dao)20次之后，薄(bo)片最終(zhong)產生了(le)一(yi)些單層石(shi)墨(mo)烯。海(hai)姆和諾沃謝洛夫把剝離下來(lai)的(de)薄(bo)片放在氧化硅基板上(shang)，光的(de)干涉效應(ying)使薄(bo)片在顯微鏡下呈現(xian)彩(cai)色條紋，就像油膜在水面上(shang)產生的(de)效果。利用這種效應(ying)，他們觀察到(dao)(dao)了(le)單層石(shi)墨(mo)烯。就這樣，第(di)一(yi)種二維晶體材料正式(shi)出現(xian)了(le)。
2004年10月，美(mei)國《科學》雜志發表了(le)他們的研究(jiu)成(cheng)果，引發了(le)科學界對(dui)石墨烯(xi)的研究(jiu)熱潮。對(dui)石墨烯(xi)了(le)解得越多，人們就越驚訝于(yu)它的各種特性(xing)。
二維的碳
碳(tan)是(shi)(shi)(shi)(shi)神奇(qi)的(de)(de)(de)(de)元素，也是(shi)(shi)(shi)(shi)所有地球生命的(de)(de)(de)(de)基礎。純碳(tan)能以(yi)(yi)截然不同的(de)(de)(de)(de)形式(shi)存在，可以(yi)(yi)是(shi)(shi)(shi)(shi)堅硬的(de)(de)(de)(de)鉆石，也可以(yi)(yi)是(shi)(shi)(shi)(shi)柔軟的(de)(de)(de)(de)石墨，還可以(yi)(yi)是(shi)(shi)(shi)(shi)C60那樣的(de)(de)(de)(de)富勒烯。而(er)石墨烯，則是(shi)(shi)(shi)(shi)碳(tan)的(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)張奇(qi)妙臉孔(kong)。想象(xiang)有那么一(yi)(yi)張單層的(de)(de)(de)(de)網，每一(yi)(yi)個網格都是(shi)(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)個完美的(de)(de)(de)(de)六邊(bian)形，每一(yi)(yi)個繩結都是(shi)(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)個碳(tan)原子(zi)。這張網只(zhi)(zhi)有一(yi)(yi)個原子(zi)那么厚，可以(yi)(yi)說沒有高度、只(zhi)(zhi)有長(chang)寬，是(shi)(shi)(shi)(shi)二維(wei)而(er)不是(shi)(shi)(shi)(shi)三維(wei)的(de)(de)(de)(de)。這就是(shi)(shi)(shi)(shi)石墨烯，它是(shi)(shi)(shi)(shi)二維(wei)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)、人類已知的(de)(de)(de)(de)最薄材(cai)料(liao)，一(yi)(yi)種正(zheng)為物(wu)理學(xue)和材(cai)料(liao)學(xue)帶來許多新發現的(de)(de)(de)(de)東西。
神奇的特性
石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)打開了基礎物理和應(ying)用物理的(de)(de)(de)一(yi)(yi)扇大門，對(dui)物理學基礎研(yan)究有著特殊意義，它(ta)使一(yi)(yi)些(xie)此前只能(neng)紙(zhi)上(shang)談兵的(de)(de)(de)量子效(xiao)應(ying)可以通過實(shi)驗(yan)來驗(yan)證，例如(ru)(ru)電子無視障(zhang)礙、實(shi)現幽靈(ling)一(yi)(yi)般的(de)(de)(de)穿越。但更令人(ren)感興趣的(de)(de)(de)，是(shi)它(ta)那許(xu)多極端的(de)(de)(de)性(xing)質。它(ta)是(shi)室溫下電的(de)(de)(de)最(zui)(zui)佳導體，還是(shi)很好的(de)(de)(de)導熱體并(bing)且透明易彎曲。石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)既是(shi)最(zui)(zui)薄(bo)的(de)(de)(de)材料(liao)，也是(shi)人(ren)類已知的(de)(de)(de)強度(du)最(zui)(zui)高的(de)(de)(de)材料(liao)，它(ta)的(de)(de)(de)斷裂強度(du)比最(zui)(zui)好的(de)(de)(de)鋼材還要高出百倍。同時它(ta)又有很好的(de)(de)(de)彈性(xing)，拉伸(shen)幅度(du)能(neng)達到(dao)自身尺寸的(de)(de)(de)20%。如(ru)(ru)果用一(yi)(yi)塊面積(ji)為1平方米的(de)(de)(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)，做(zuo)成一(yi)(yi)個(ge)可以承受一(yi)(yi)只貓的(de)(de)(de)重(zhong)量的(de)(de)(de)吊(diao)床，那么這個(ge)吊(diao)床本身的(de)(de)(de)重(zhong)量還不到(dao)1毫克，只相當于貓的(de)(de)(de)一(yi)(yi)根胡須。
石墨烯幾乎是完全透(tou)明的(de)(de)，只吸(xi)收2.3%的(de)(de)光。另一方面，它(ta)非(fei)常致(zhi)密，即使是氦原(yuan)子——最小的(de)(de)氣體原(yuan)子也無法(fa)穿透(tou)它(ta)。
挽救摩爾定律
根據半導體業著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。但硅材料的加工極限一般認為是10納米線寬，當硅材料尺寸小于10納米時，它的物理、化學性能將發生質的變化，用它制造出的晶體管穩定性變差。提出該定律的摩爾本人公開表示，10年后摩爾定律將很難繼續有效。
石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)出現或將令(ling)摩爾定律(lv)得以延(yan)續。石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)可以被(bei)刻成(cheng)尺寸不到1個分子(zi)(zi)大小的(de)(de)(de)單(dan)電子(zi)(zi)晶(jing)體(ti)管。此(ci)外，石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)高度穩定，即使被(bei)切成(cheng)1納(na)米寬的(de)(de)(de)元件，導電性也(ye)很好。電子(zi)(zi)可在石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)結構中以1/300光(guang)速的(de)(de)(de)超(chao)高速度運行，因此(ci)它被(bei)視為制(zhi)造(zao)下一代(dai)芯片的(de)(de)(de)理(li)想(xiang)材料。使用石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)制(zhi)造(zao)的(de)(de)(de)處理(li)器頻率有望達到1THz以上，是目前(qian)硅芯片的(de)(de)(de)100到1000倍。目前(qian)研(yan)(yan)究人員已開發出10納(na)米級的(de)(de)(de)可實(shi)際運行的(de)(de)(de)石墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)晶(jing)體(ti)管，并且(qie)開始(shi)研(yan)(yan)制(zhi)由單(dan)原(yuan)子(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管。
美國(guo)賓夕法尼(ni)亞州立大學(xue)也已經成(cheng)功制(zhi)成(cheng)了100毫米(mi)的(de)純石墨(mo)烯(xi)晶(jing)(jing)圓（制(zhi)作硅(gui)(gui)半導(dao)體集成(cheng)電路所用的(de)圓形硅(gui)(gui)晶(jing)(jing)片）。制(zhi)造中(zhong)，他們使用硅(gui)(gui)升華技術，去除了碳(tan)化硅(gui)(gui)晶(jing)(jing)圓中(zhong)所有的(de)硅(gui)(gui)，僅留下碳(tan)原子組成(cheng)的(de)石墨(mo)烯(xi)結(jie)構。該晶(jing)(jing)圓中(zhong)包含的(de)是石墨(mo)烯(xi)組成(cheng)的(de)場效應管元件，研究人員近期就(jiu)會(hui)對(dui)其性能(neng)進行測試(shi)。下一步(bu)，他們還計(ji)劃改進結(jie)構，提(ti)升電子在石墨(mo)烯(xi)中(zhong)的(de)運行速(su)度，使其接(jie)近1/300光速(su)的(de)理論極限。
而IBM公司則在(zai)賓夕法尼亞(ya)州立(li)大學發布100毫(hao)米石(shi)墨烯晶(jing)圓(yuan)的(de)(de)第(di)二天(tian)，在(zai)《科學》雜志上展示了迄今為止頻率最高(gao)的(de)(de)射頻石(shi)墨烯晶(jing)體(ti)管(guan)，速度可達到(dao)100Ghz（即每秒(miao)1000億(yi)次），而此前的(de)(de)最好成績是40Ghz。 據了解，如此高(gao)的(de)(de)頻率是在(zai)晶(jing)圓(yuan)尺度外(wai)延生(sheng)長(chang)的(de)(de)石(shi)墨烯上獲得(de)的(de)(de)，所使(shi)用(yong)的(de)(de)處理工藝與目前廣泛應用(yong)的(de)(de)硅(gui)設備(bei)制造技術也是兼容的(de)(de)。
也許，在(zai)不遠的將來，我(wo)們(men)會在(zai)計算機上看到石墨烯(xi)纖薄卻又強悍(han)的身影。
建造太空電梯
法國皇帝拿破侖曾經說過：“筆比劍更有威力。”然而他在200年前說這話的時候絕對不會想到，人類使用的普通鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質！石墨烯，這種比鉆石還強硬的物質，它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍，并且原料是如此豐富。
它不(bu)僅可以用(yong)來開(kai)發制(zhi)(zhi)造(zao)出紙片般薄的(de)(de)超輕型(xing)飛(fei)機材料(liao)，制(zhi)(zhi)造(zao)出超堅韌的(de)(de)防(fang)彈衣，甚至(zhi)能用(yong)來打造(zao)3.7萬公里長的(de)(de)太空電梯，讓科學家的(de)(de)夢(meng)想成為(wei)現實(shi)。
人(ren)類通過(guo)“太空(kong)電梯(ti)(ti)(ti)”進入太空(kong)，所(suo)花的(de)成本將比通過(guo)火箭升入太空(kong)便宜很多。制造“太空(kong)電梯(ti)(ti)(ti)”的(de)最大障礙之一，就是如何制造出(chu)一根從地(di)面連向太空(kong)衛星、長(chang)達3.7萬(wan)公里(li)并且(qie)足夠強韌(ren)的(de)纜線。為(wei)了激勵科學(xue)家(jia)發(fa)明(ming)出(chu)制造太空(kong)電梯(ti)(ti)(ti)纜線的(de)堅(jian)韌(ren)材料(liao)，美國NASA此前還發(fa)出(chu)了400萬(wan)美元(yuan)的(de)懸(xuan)賞。石墨烯材料(liao)已被(bei)證實(shi)完(wan)全適合用來制造太空(kong)電梯(ti)(ti)(ti)纜線。
廣泛的應用前景
石(shi)墨烯(xi)(xi)可(ke)用于制造(zao)透(tou)明的(de)(de)觸摸顯(xian)示(shi)屏(ping)、發光(guang)板(ban)和太陽能電池(chi)板(ban)。在塑料(liao)里摻入(ru)(ru)百分(fen)之(zhi)一的(de)(de)石(shi)墨烯(xi)(xi)，就能使(shi)塑料(liao)具備良好的(de)(de)導電性(xing)；加入(ru)(ru)千分(fen)之(zhi)一的(de)(de)石(shi)墨烯(xi)(xi)，能使(shi)塑料(liao)的(de)(de)抗熱性(xing)能提高(gao)30攝氏(shi)度。在此基礎上可(ke)以研制出(chu)薄(bo)、輕、拉伸(shen)性(xing)好和超(chao)強韌的(de)(de)新型材(cai)料(liao)，用于制造(zao)汽車(che)、飛(fei)機(ji)和衛星。由于具備完美結構，石(shi)墨烯(xi)(xi)還能用來制造(zao)超(chao)靈敏的(de)(de)感應器，即使(shi)是最輕微的(de)(de)污染也(ye)(ye)能察覺。目(mu)前，IBM公(gong)(gong)司(si)已(yi)經(jing)制作出(chu)一種高(gao)頻石(shi)墨烯(xi)(xi)晶體管(guan)，韓國三星公(gong)(gong)司(si)的(de)(de)研究人員(yuan)也(ye)(ye)已(yi)經(jing)制造(zao)出(chu)由多層石(shi)墨烯(xi)(xi)等材(cai)料(liao)組成的(de)(de)透(tou)明可(ke)彎曲顯(xian)示(shi)屏(ping)。
在(zai)能源領域，石(shi)(shi)墨烯(xi)還(huan)可以(yi)用(yong)作電(dian)極材料。石(shi)(shi)墨烯(xi)是理論上最薄(bo)的材料，可用(yong)作透(tou)明導(dao)電(dian)膜的制造。石(shi)(shi)墨烯(xi)材料光的透(tou)過(guo)率在(zai)可見波段大(da)于97%，導(dao)電(dian)性(xing)能也(ye)非(fei)常好，可以(yi)與稀有(you)且昂貴的氧化銦錫（ITO）相競爭(zheng)，而氧化銦錫普遍用(yong)于有(you)機LED（OLED）顯示器透(tou)明電(dian)極中。
神奇的(de)(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)，隨著人們(men)(men)對它(ta)的(de)(de)認識(shi)越來(lai)(lai)越深入，各種(zhong)應用越來(lai)(lai)越成熟，將越來(lai)(lai)越多地出現在我們(men)(men)的(de)(de)身邊。石(shi)墨(mo)烯(xi)，這(zhe)種(zhong)二維的(de)(de)碳到底會給(gei)人類(lei)世界帶來(lai)(lai)什么(me)樣的(de)(de)改變(bian)？讓我們(men)(men)拭(shi)目以待。