. ^3 D3 S! j; Z, [8 Y2 l$ U 石墨烯—改變世界的新材料。
' s: y) p- ]# j" A: m5 K' T 我們每個人都有使用鉛筆的經歷，但幾乎沒有人意識到當我們用鉛筆在紙上留下字跡的同時也不知不覺地制造出了很有可能在不久的將來改變人類生活的新材料。這種目前在科學界最熱門的材料就是石墨烯。顧名思義，石墨烯與石墨有緊密的聯系。我們知道，石墨是一類層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網絡有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。但長久以來，科學家們從理論上一直認為這種純粹的二維晶體材料是無法穩定存在的，一些試圖制備石墨烯的工作也均以失敗而告終。直到2004年，英國曼徹斯特大學的A. Geim教授及其合作人員憑借極大的耐心與一點點運氣終于如大海撈針般首次發現了石墨烯。他們采取的手段與鉛筆寫字有異曲同工之妙，即通過透明膠帶對石墨進行反復的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米（約為頭發直徑的二十萬分之一）的石墨烯。這一發現在科學界引起了巨大的轟動，不僅是因為它打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，更為重要的是石墨烯的出現帶來了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為繼富勒烯和碳納米管后又一個里程碑式的新材料。而Geim教授也憑借這一發現獲得了2008年諾貝爾物理學獎的提名。 . G8 _, c& L9 V
' g8 T- a. V* d4 I6 @ 石墨烯這一目前世界上最薄的物質首先讓凝聚態物理學家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強，因此即使經過多次的剝離，石墨烯的晶體結構依然相當完整，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無阻的遷移，其遷移速率為傳統半導體硅材料的數十至上百倍。這一優勢使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎材料而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學家們已經研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂觀地預計不久就會出現全由石墨烯構成的全碳電路并廣泛應用于人們的日常生活中。此外，二維石墨烯材料中的電子行為與三維材料截然不同，無法用傳統的量子力學加以解釋，而必須運用更為復雜的相對論量子力學來闡釋。因此石墨烯為相對論量子力學的研究提供了很好的平臺，而在這之前科學家們只能在高能宇宙射線或高能加速器中對該理論進行驗證，如今終于可以在普通環境下輕松開展研究了。
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8 q1 V6 d: b, R$ j# _ 石墨烯還具有超高的強度，碳原子間的強大作用力使其成為目前已知的力學強度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應用于新型高強度復合材料之中。石墨烯良好的導電性及其對光的高透過性又讓它在透明導電薄膜的應用中獨具優勢，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽能電池等領域至關重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲能器件方面也已經展示出誘人的應用前景。可以說，石墨烯的出現不僅給科學家們提供了一個充滿魅力與無限可能的研究對象，更讓我們對其充滿了期待，也許在不久的將來，石墨烯就會為我們搭建起更加便捷與美好的生活。
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看了以上的介紹，如果你對石墨烯產生了興趣的話，不妨也可以嘗試著DIY一下。其實很簡單，只要你一點石墨、有一卷膠帶和一臺顯微鏡就可以了，當然還要加上足夠的耐心。好了，現在你就可以像Geim教授一樣開始在科學世界中的探索了。 % H* V6 Y* u3 w; s* y; B( Z
. p3 l2 c) y) p& u 英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的研究榮獲２０１０年諾貝爾物理學獎。
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發表于 2016-12-5 07:39:11
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