神马文学网石墨烯
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/30 00:53:51
石墨是大家很熟悉的名字，因为我们日常用的铅笔芯就是石墨制成的。中国是石墨产量大国，每年生产大约八十万吨，占世界产量70%左右。虽然大家对石墨并不陌生，但对石墨的性质了解得大概并不多。石墨可以说是最纯的碳，它的纯不仅在于是纯碳原子构成的，而且结构最规则最简单：是由一层一层网状结构堆砌成的，每一层网是蜂窝状，即由六角形构成。六角形每个角上有一个碳原子。每个碳原子与另外三个碳原子相邻。
石墨有很好的导热和导电性能，由于其层状结构，这些性质不是各向同性的。热传播、声传播和导电性质沿着蜂窝网络传播得好，从网到网之间的传播就不那么好。而且，网络结构本身很稳定，但网与网之间结合力就不那么强了。
正是由于网与网之间结合力不强，才导致石墨烯的发现。所谓石墨烯，就是单层网状石墨——当然，有人愿意将石墨这个名字留给立体结构的石墨，而给平面结构的石墨单独一个名字，石墨烯。单层石墨烯非常薄，考虑到石墨中的两层网之间的距离是0.335纳米，石墨烯还不到这个厚度，所以是透明的。两位俄国人，Andre Geim 和Konstantin Novoselov，由于在制作石墨烯上面的先驱作用以及研究石墨烯的性质获得今年诺贝尔物理学奖。Geim和Novoselov都在曼切斯特大学工作（我们可能对英国著名足球俱乐部曼联更加熟悉），Geim是那里的教授，而Novoselov由于年轻，只有36岁，还只是一位普通研究人员。有趣的是，在曼切斯特大学物理天文学院的主页上， Novoselov在祝贺他们获得获奖的新闻中被称为教授。他们在做出开创性的发现之后六年就获得了诺贝尔奖。
他们发现石墨烯的方法很简单，就是用透明胶将石墨一层一层剥开。后来，哥伦比亚大学的P. Kim等人将石墨晶体附在原子力显微镜上在一个表面上擦出石墨烯。这很像我们用铅笔写字，确实，当我们写字的时候，纸上会留下一些很薄很薄的石墨，有的可能是几层石墨烯，有的干脆就是石墨烯，当然这些很薄的地方用肉眼看不出来。有趣的是，石墨是通过所谓范德瓦尔斯力附着在纸上的，这是一种分子间的力，虽然弱，却足够强。
石墨烯的制作成功带来一些研究方向的革命性的变化，这主要归功于石墨烯的特殊性质。首先，石墨烯有特殊的力学性质，当片状物足够大之后，结构是稳定的，而且强度超过单层铁（想象中的产物）强度的一百倍。一张一米见方的石墨烯可承重大约4公斤，也就是说，如果用一米见方的石墨烯做成吊床，一直猫可以安安稳稳地躺在上面睡觉（下图）。最近，用一种新方法，已经可以制造宽度为70厘米的石墨烯了。
石墨烯的第二个特点是轻。轻是当然的，因为这是一种厚度只是一个原子的东西！我们很容易计算石墨烯的重量。考虑到石墨烯上的每个六角形蜂窝的面积是0.052平方纳米（一米=十亿纳米），我们就能算出一平方米有多少六角形，大约是两千亿亿个。而碳原子大约是六角形的二倍（这也很好算，每个六角形含有6个碳原子，而每个碳原子被3个六角形共用，所以碳原子的个数是六角形个数的6/3=2倍）。这样算出来的结果是，一平米的石墨烯的重量是0.77毫克，和可以躺在上面的猫的一根胡须差不多重！
石墨烯还有很好的光学性质，它几乎是透明的，吸光率只有2.3%。因为透明，一张吊床根本看不见，一只猫躺在上面像是悬空一样。
石墨烯还有很好的导电性，这是物理学家最感兴趣的性质。每个碳原子有一个自由电子，所以石墨烯的导电性能非常好。还是用一平米的石墨烯吊床做例子，它的电阻只有31欧姆。另外，石墨烯的导热性能很好，比铜还要好十倍。
由于石墨烯是透明的并且导电性能好，未来可能应用于制造触摸屏，以及太阳能电池。我想，这可能是这个发现能够获得诺贝尔奖的重要原因。其实，在发现石墨烯之前，1991年人们就发现了碳纳米管。碳纳米管一方面工业应用前景似乎不如石墨烯，另一方面在物理学的应用方面也不如石墨烯，所以迟迟没有得奖。可以说，碳纳米管就是石墨烯卷成的管子。碳的奇妙家族中还有一位叫做富勒烯，是由碳原子组成的球状结构。最有名的是碳60富勒烯，由20个六角形和12个五角形组成，含有60个碳原子，很像足球。1996年诺贝尔化学奖就奖给了富勒烯的发现。富勒烯也可视作石墨烯卷成的结构。
最后，我们需要谈谈石墨烯在物理学中的位置。前面我们提到石墨烯几乎是透明的，吸光率只有2.3%，这个数字和一个物理学常数密切相关，就是精细结构常数，由电子的电荷决定。2.3%恰好是精细结构常数乘以
最后，我想提一下研究弦论的人对石墨烯的关注。石墨烯的特殊导电性质在理论上也可以通过弦论方法研究，石墨烯是应用量子引力全息原理的一个重要例子。我相信，石墨烯在未来还会提供更多的不同领域之间意象不到的关联。
（《新发现》