縱觀諾貝爾獎(jiǎng)的歷史，可以發(fā)現(xiàn)很少有如此“年輕”的研究成果。歷年來(lái)，只要是自然科學(xué)類的研究，從取得成果到獲得諾貝爾獎(jiǎng)，大多數(shù)要間隔幾十年之久。比如試管嬰兒技術(shù)早在1976年就出現(xiàn)了，然而直到有300多萬(wàn)的試管嬰兒誕生后，這項(xiàng)成果才獲得了2010年度的諾貝爾生物與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。那么近十年里來(lái)物理學(xué)獎(jiǎng)的主角“石墨烯”是怎樣被發(fā)現(xiàn)的，又是憑借什么得到了諾獎(jiǎng)評(píng)委的青睞呢？
得來(lái)全不費(fèi)工夫
發(fā)現(xiàn)石墨烯的過(guò)程很曲折，卻又很簡(jiǎn)單。
石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米(1納米=10億分之一米)，把20萬(wàn)片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。早在20世紀(jì)40年代，就有科學(xué)家對(duì)類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)理論研究，但很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，他們用盡了各種方法，卻始終沒(méi)能成功地獲得單層石墨烯。由此很多人認(rèn)為，在有限的溫度下這樣的二維材料是不可能穩(wěn)定存在的。
當(dāng)然，也有另外一些人堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，并用實(shí)際行動(dòng)來(lái)證明。哥倫比亞的年輕教授菲利普·金（P. Kim）帶領(lǐng)的科研小組一直在嘗試剝離石墨烯，用的方法看上去相當(dāng)“高科技”。他們用AFM（原子力顯微鏡）的針尖掃過(guò)石墨頂端，企圖依靠針尖的力量帶下來(lái)幾片石墨烯，但仍以失敗而告終。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，海姆和諾沃謝洛夫的方法就太“簡(jiǎn)陋”了。據(jù)海姆介紹，這個(gè)瘋狂實(shí)驗(yàn)最初是交給一位新來(lái)的中國(guó)博士生的。他們買了一大塊高定向裂解石墨，讓這位博士生在一臺(tái)很好的拋光機(jī)上研磨，越薄越好。三個(gè)星期后，博士生跑來(lái)說(shuō)成功了。但實(shí)際上，獲得的石墨片仍然厚達(dá)10微米，相當(dāng)于1000層石墨烯。海姆問(wèn)：“你能否再研磨得薄一點(diǎn)？”博士生說(shuō)，需要另一塊石墨，這得花300美元。海姆沒(méi)有再買一塊石墨，他和他的助手諾沃謝洛夫決定用透明膠帶來(lái)試試。之所以想到透明膠帶，是因?yàn)檠芯啃〗M當(dāng)時(shí)引進(jìn)了一位技術(shù)員來(lái)搭建低溫掃描隧道顯微鏡，而這位技術(shù)員清潔石墨樣品表面的方法就是用透明膠帶把石墨表層粘掉。這提醒了他們，如果不斷地粘起、撕開(kāi)，就可以得到更薄的薄膜。
反復(fù)粘上10到20次之后，薄片最終產(chǎn)生了一些單層石墨烯。海姆和諾沃謝洛夫把剝離下來(lái)的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效應(yīng)使薄片在顯微鏡下呈現(xiàn)彩色條紋，就像油膜在水面上產(chǎn)生的效果。利用這種效應(yīng)，他們觀察到了單層石墨烯。就這樣，第一種二維晶體材料正式出現(xiàn)了。
2004年10月，美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果，引發(fā)了科學(xué)界對(duì)石墨烯的研究熱潮。對(duì)石墨烯了解得越多，人們就越驚訝于它的各種特性。
二維的碳
碳是神奇的元素，也是所有地球生命的基礎(chǔ)。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅(jiān)硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨，還可以是C60那樣的富勒烯。而石墨烯，則是碳的另一張奇妙臉孔。想象有那么一張單層的網(wǎng)，每一個(gè)網(wǎng)格都是一個(gè)完美的六邊形，每一個(gè)繩結(jié)都是一個(gè)碳原子。這張網(wǎng)只有一個(gè)原子那么厚，可以說(shuō)沒(méi)有高度、只有長(zhǎng)寬，是二維而不是三維的。這就是石墨烯，它是二維的碳、人類已知的最薄材料，一種正為物理學(xué)和材料學(xué)帶來(lái)許多新發(fā)現(xiàn)的東西。
神奇的特性
石墨烯打開(kāi)了基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理的一扇大門，對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，例如電子無(wú)視障礙、實(shí)現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多極端的性質(zhì)。它是室溫下電的最佳導(dǎo)體，還是很好的導(dǎo)熱體并且透明易彎曲。石墨烯既是最薄的材料，也是人類已知的強(qiáng)度最高的材料，它的斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高出百倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。如果用一塊面積為1平方米的石墨烯，做成一個(gè)可以承受一只貓的重量的吊床，那么這個(gè)吊床本身的重量還不到1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。
石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無(wú)法穿透它。
挽救摩爾定律
根據(jù)半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)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(rèn)為是10納米線寬，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，它的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。提出該定律的摩爾本人公開(kāi)表示，10年后摩爾定律將很難繼續(xù)有效。
石墨烯的出現(xiàn)或?qū)⒘钅柖傻靡匝永m(xù)。石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。電子可在石墨烯結(jié)構(gòu)中以1/300光速的超高速度運(yùn)行，因此它被視為制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的處理器頻率有望達(dá)到1THz以上，是目前硅芯片的100到1000倍。目前研究人員已開(kāi)發(fā)出10納米級(jí)的可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管，并且開(kāi)始研制由單原子組成的晶體管。
美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)也已經(jīng)成功制成了100毫米的純石墨烯晶圓（制作硅半導(dǎo)體集成電路所用的圓形硅晶片）。制造中，他們使用硅升華技術(shù)，去除了碳化硅晶圓中所有的硅，僅留下碳原子組成的石墨烯結(jié)構(gòu)。該晶圓中包含的是石墨烯組成的場(chǎng)效應(yīng)管元件，研究人員近期就會(huì)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。下一步，他們還計(jì)劃改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提升電子在石墨烯中的運(yùn)行速度，使其接近1/300光速的理論極限。
而IBM公司則在賓夕法尼亞州立大學(xué)發(fā)布100毫米石墨烯晶圓的第二天，在《科學(xué)》雜志上展示了迄今為止頻率最高的射頻石墨烯晶體管，速度可達(dá)到100Ghz（即每秒1000億次），而此前的最好成績(jī)是40Ghz。 據(jù)了解，如此高的頻率是在晶圓尺度外延生長(zhǎng)的石墨烯上獲得的，所使用的處理工藝與目前廣泛應(yīng)用的硅設(shè)備制造技術(shù)也是兼容的。
也許，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們會(huì)在計(jì)算機(jī)上看到石墨烯纖薄卻又強(qiáng)悍的身影。
建造太空電梯
法國(guó)皇帝拿破侖曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“筆比劍更有威力。”然而他在200年前說(shuō)這話的時(shí)候絕對(duì)不會(huì)想到，人類使用的普通鉛筆中竟然包含著地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)！石墨烯，這種比鉆石還強(qiáng)硬的物質(zhì)，它的強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還高100倍，并且原料是如此豐富。
它不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料，制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能用來(lái)打造3.7萬(wàn)公里長(zhǎng)的太空電梯，讓科學(xué)家的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。
人類通過(guò)“太空電梯”進(jìn)入太空，所花的成本將比通過(guò)火箭升入太空便宜很多。制造“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)3.7萬(wàn)公里并且足夠強(qiáng)韌的纜線。為了激勵(lì)科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅(jiān)韌材料，美國(guó)NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。石墨烯材料已被證實(shí)完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線。
廣泛的應(yīng)用前景
石墨烯可用于制造透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌的新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。由于具備完美結(jié)構(gòu)，石墨烯還能用來(lái)制造超靈敏的感應(yīng)器，即使是最輕微的污染也能察覺(jué)。目前，IBM公司已經(jīng)制作出一種高頻石墨烯晶體管，韓國(guó)三星公司的研究人員也已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
在能源領(lǐng)域，石墨烯還可以用作電極材料。石墨烯是理論上最薄的材料，可用作透明導(dǎo)電膜的制造。石墨烯材料光的透過(guò)率在可見(jiàn)波段大于97%，導(dǎo)電性能也非常好，可以與稀有且昂貴的氧化銦錫（ITO）相競(jìng)爭(zhēng)，而氧化銦錫普遍用于有機(jī)LED（OLED）顯示器透明電極中。
神奇的石墨烯，隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，各種應(yīng)用越來(lái)越成熟，將越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的身邊。石墨烯，這種二維的碳到底會(huì)給人類世界帶來(lái)什么樣的改變？讓我們拭目以待。