石墨烯：改变世界的超级材料

1　胶带里的答案

2　物质的本质

3　量子世界

4　新的纪元

5　其他超薄物质

6　超薄的世界

拓展阅读

过去，科学家要么单枪匹马，要么寥寥数人，凭着一点聊胜于无的经费就能在实验室里捣鼓出令人惊叹的成果，第二次世界大战前的科学发现几乎无不如此。然而到了 21 世纪，前沿科学研究势必是要投入大量人力物力的，这早已成为人们下意识的观念。本书接下来讨论的内容将会颠覆这一认知。

我们先回顾一下2000年以来人类在科学上的重大突破。21世纪初，人类基因组工作草图耗时数年后终于在 2001 年得以发表，发布方人类基因组计划国际组织和私人企业塞雷拉基因公司为此分别投入了30亿美元和3亿美元。2013 年，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（被誉为目前世界上的机器）研究团队宣布探测到了希格斯玻色子，至今该研究项目耗资已超过 50 亿美元。

又比如，耗资 10 多亿美元兴建的激光干涉引力波天文台（LIGO），吸引了全世界范围内 1 000 多名科学家参与其中，并在 2016 年和 2017 年数次宣布探测到引力波。这样的投入不可谓不令人咋舌，但它与耗资超过千亿美元的国际空间站比起来也不过是小巫见大巫，更不用说后者尚未取得任何重大突破。

所以对比起来，两位来自曼彻斯特大学的物理学家海姆和诺沃瑟洛夫凭着几块石墨、几卷胶带和几乎可以忽略不计的预算能折腾出什么来呢？他们还真折腾出了些眉目——可能是 21 世纪迄今为止深远影响的科技突破。和上述动辄耗资数亿美元的科学研究项目对比起来，这个在曼彻斯特大学实验室里进行的超薄物质研究更具实用性，此外，它还拓宽并深化了我们对物理学和化学的认知。这是个微成本的小实验，却意义重大。

……

海姆说：“我们没有发明石墨烯，只是清楚地看到了一样在我们眼皮底下存在了500多年的事物。” 海姆和诺沃瑟洛夫的发现使他们在其后短短几年时间内将从超强材料、柔性电子材料到用于海水净化的分子筛都变为可能。……

海姆和诺沃瑟洛夫次用透明胶带剥离石墨烯时，它引人瞩目的特征就是它的厚度，真的太薄了，从侧面看不出来它的存在，而从上面看则是透明的。确切地说，石墨烯是一片只有一个原子厚度的物质，是已知薄的物质。这种薄薄的物质是以六边形晶格结构形成的一层碳，也就说它的厚度就是碳原子本身的厚度。

到底有多厚呢？一片石墨烯从上到下大约为0.3纳米，而1纳米是十亿分之一米。直观点说，石墨烯的厚度不及小病毒的六十分之一、普通细菌的三千分之一，普通纸张的三十万分之一，名副其实的“超薄”。虽然石墨烯非常坚固，但这么薄的材料通常需要支撑。它的坚固是指在水平方向上抗拉伸，但它在纵向上因为缺乏支撑而非常松散。目前，石墨烯样品的长度从几微米（千分之一毫米）到近一米不等。……