日前有消息稱，美國科學家研發出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，能在數秒內為手機甚至汽車充電；國內某上市公司也正在申請石墨烯電池專利。

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在。僅僅6年之后，兩人便因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

一個成果從完成到獲諾獎，僅僅間隔6年時間，絕對十分罕見。這也從一個側面說明了這個工作的受關注程度。

的確，石墨烯出現以來，科學家們很快就發現了這種材料擁有的各種各樣神奇性質，各方面對它的研發投入了極大興趣。有科學家甚至預言，石墨烯將“徹底改變21世紀”。

只有一層碳原子厚

“二維結構”從想象變成現實

我們所有人對“石墨”都不陌生， 因為鉛筆的筆芯就是由它和粘土混合而成的。

石墨是由碳元素組成的。在電子顯微鏡下，可以發現石墨的結構是層狀的，每一層的碳原子都排列成緊密的蜂窩狀六邊形網格，而層與層之間的距離則比較大，層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會留下痕跡，正是這種松散堆砌的結果。

很早以前就有人想到，如果將石墨一層層剝離，最后能不能得到只由單層原子組成的“二維”石墨片？1987年，有人正式給這種理想中的“二維”石墨片取了個名字，就叫石墨烯。

這幾乎是只能在教科書的物理作業中出現的“理想狀態”。直到21世紀初，人們所達到的最好業績——即最薄的石墨片——也只到幾十層原子的水平。

更糟糕的是，早在20世紀30年代，著名俄國物理學家朗道等人就已證明，二維材料的熱運動漲落會破壞自身的結構。實驗上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也在佐證著這一結論，比如石墨層越薄，就越容易卷曲成球狀或柱狀，而無法維持平面結構。因此，制備石墨烯曾被很多人認為是注定無法成功的事情。

而海姆和諾沃肖洛夫團隊偶然發現了一種十分簡單的方法：他們用透明膠帶粘住石墨層的兩個面，然后撕開，使之分為兩片。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。

聽上去輕而易舉，但其中真正實現還是要克服很多困難，是外行人難以理解的。海姆實驗組制備石墨烯前后持續了一年多時間，而制備出的石墨烯只有幾平方微米，要用高倍顯微鏡才能觀測到。

從狹義上來說，石墨烯指單層的石墨；從廣義上來說，層數小于10層的石墨都可稱為石墨烯。近年來，被它的誘人應用前景所吸引，各方面投入了很大人力物力，研發大規模工業制備石墨烯的方法，目前已經開辟了多種途徑，大致可分為物理方法和化學方法兩類，也獲得了很多重要突破，然而這仍然是十分困難的工作，從石墨烯的市場價格也可見一斑：如此便宜隨處可見的石墨，制成石墨烯后，價格就十倍于黃金。

力學強度最大 電子傳輸最快

神奇特性可顛覆日常經驗

原本似乎只能在想像中存在的“二維”石墨烯，一旦真的被制取出來以后，它的種種神奇性質，足可以顛覆我們過去的很多日常經驗。

從力學性質上說，石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。科學家已經證實了石墨烯是目前世界上已知的強度最高的材料，比鉆石還堅硬，是世界上最好的鋼鐵強度的100多倍。瑞典皇家科學院在頒發2010年諾貝爾物理學獎時曾這樣比喻：“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”。有人這樣引申說，由于石墨烯厚度只有單層原子，透光率高達97.7%，因此如果真有那樣的吊床，它不僅對于肉眼，甚至對于很多儀器來說都是不可見的，我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。

從熱電性質上來說，在石墨烯的“二維世界”里，電子運動具有很奇特的性質，即電子的質量仿佛是不存在的，其傳導速度可達光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。加上石墨烯結構在常溫下的高度完美性，使得電子的傳輸及對外場的反應都超級迅速，這使得石墨烯具有超常的導電性和導熱性。而且更重要的是，石墨烯還可以用來制作晶體管，由于石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的線度上依然能穩定地工作。很多人相信，石墨烯將會成為硅的接班人，引領技術領域一個新的微縮時代的來臨。

石墨烯除了具有超高的強度和韌性外，還有不透水、不透氣以及抵御強酸、強堿的能力，這使它有可能成為制作保護膜的理想材料。而石墨烯既能導電又高度透明的特點，則使它有可能在制作液晶顯示屏、觸摸顯示屏、太陽能電池板等領域大顯身手。

延伸閱讀

應用幾乎有無限可能

由于石墨烯材料本身的神奇性質，使它的應用幾乎具有無限可能，下面我們來介紹幾種人們最多談到的具體思路。

幾萬公里的太空電梯纜線

石墨烯堪稱人類已知的強度最高的物質，它不僅可以開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇大門。

這種早在1895年就由火箭理論的先驅者、俄國科學家齊奧爾科夫斯基提出過的迷人設想，一直面臨著一個致命問題，就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長達幾萬公里并且足夠強韌的纜線，來承載“太空電梯”的上下往復。美國科學家表示，石墨烯的出現，完全有能力承擔這一艱巨任務。

一分鐘給手機、汽車充電

美國研究人員近日公布了他們研制的一種新型電池，這種電池能在一分鐘內給手機，甚至是汽車充滿電。這種名叫微型石墨烯超級電容器的裝置的充電或者是放電速度比常規電池快100倍到1000倍。研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新型儲能設備，可以將充電時間從過去的數小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發表在近期出版的《納米快報》上。

研究人員表示，對于超級電容器來說，它再“快”也不過是數量上的升級，“小”才是其最大價值。一直以來，電子產品的微型化、小型化，常常會遭遇儲能系統方面的阻礙。過大的電池體積，拖累了整個產品的靈活小巧。而新型超級電容器不但擁有較小的體積，且可以輕易整合到其他配件當中。

一秒鐘內下載一部高清電影

2011年6月，一篇有關石墨烯應用的研究論文在英國《自然》雜志上發表。美國華裔科學家使用納米材料石墨烯研制出了一款調制器，科學家表示，這個只有頭發絲四百分之一細的光學調制器具備的高速信號傳輸能力，一秒鐘內下載一部高清電影指日可待。這項研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅硬的納米材料，做成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和小尺寸的調制器，從而解決了業界長期未能解決的問題。

據稱，每個石墨烯調制器的傳輸速度比銅導線快約千倍。如果把10個石墨烯調制器放在一起，傳輸速度可以達到百萬兆，上網速度將比現在快1萬倍。