黑金石墨烯：科学界的新宠

两个“年轻”的诺贝尔奖得主

2010年10月5日，瑞典皇家学院宣布了当年诺贝尔物理学奖获奖者及其获奖理由安德烈·海姆（Andre Heim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novose-lov）制备出了石墨烯材料，并发现其所具有的非凡属性，向世界展示了量子物理的奇妙。

这项获奖成果无论是从其理论演进历程来看，还是获奖者的资历来看，在近30年来诺贝尔奖历史上都是比较独特的。与如今诺贝尔奖成果动辄需要几十年理论和实践检验以及获奖者往往已是古稀甚至耄耋老人的情况相比，石墨烯这一“黑金”及其获奖者都显得如此“年轻”。从其在实验室诞生那一刻起到摘下科学皇冠上的明珠仅用了6年时间，而两位获奖者当年分别是52岁和36岁！此情此景使人仿佛回到了爱因斯坦和居里夫人获奖的年代。这似乎在某种程度上再次彰显出石墨烯在物理和材料科学中“真金白银”的分量。

实际上，石墨烯的理论研究距今不过60多年的历史，其曾被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。现实中，人们常见的石墨就是由无数层石墨烯堆叠在一起构成的（厚1毫米的石墨大约包含300百万层石墨烯），用铅笔在纸上轻轻画过，留下的痕迹就有可能是一层或数层石墨烯。由于石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离成薄薄的石墨片。如果能找到方法将石墨薄片进一步剥成只有一个碳原子厚度的单层，就能得到石墨烯。正是基于这一原理，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年用机械剥离法首次成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯一一一种由乙苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。特殊的结构使得石墨烯成为构成其他石墨材料的基本单元，它既可以翘曲成零维的富勒烯（巴基球），也能卷成一维的碳纳米管，还可以堆垛成三维的石墨（见图6-1）。不过，石墨烯最出名也最古怪的一点，即它是二维材料。它当然有厚度，只不过只有一个碳原子那么厚，稍微薄一点或者厚一点都不是石墨烯。如果加一层碳原子到石墨烯上，它就变回石墨；如果从石墨烯中取走一层碳原子就什么也不剩了。石墨烯的发现不仅打破了自然界中不可能存在二维结构物质的传统观念，极大地充实了碳材家族，还为促进传统产业转型升级、引领战略性新兴产业快速崛起找到了关键材料。

图6-1 石墨烯微观结构及其构建各种碳材料示意图

资料来源：作者根据enago.com等有关材料整理编制

神奇的“万能材料”

石墨烯有多神奇？1平方米石墨烯材料[2]如果做成吊床仅重1毫克，而这1毫克重的材料上可以站上1只体重1千克的猫！

石墨烯的“神奇”特性是由其独特的结构赋予的。这种万能材料用肉眼观察呈黑色粉末状，握在手里轻若无物，但却是目前人类已知的导电导热性最佳、重量最轻、强度最大、韧性最好并具有极高透光率和高比表面积的材料（见图6-2）。(www.xing528.com)

图6-2 单层石墨烯的独特性质

资料来源：作者根据有关材料整理编制

如何得到石墨烯

目前，制备石墨烯有4种主流方法：机械剥离法、化学气相沉淀法（CVD）、碳化硅（SiC）外延生长法和氧化还原法（见表6-1）。其中，机械剥离法是实验室制备石墨烯的主要方法，也是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法；化学气相沉淀法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法；碳化硅外延生长法虽然可以制得大面积的高质量单层石墨烯，但受单晶SiC的价格昂贵、石墨烯生长条件苛刻、生长出来的石墨烯难以转移等因素影响，其目前主要用于以SiC为衬底的石墨烯器件的研究；氧化还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一，且还可以先生产出同样具有广泛应用前景的功能化石墨烯——氧化石墨烯。

表6-1 石墨烯的主要制备方法比较

资料来源：作者整理

[1] 杨丹辉对本章内容做了补充和修改。

[2] 石墨烯材料泛指单层、双层和少层石墨 （3～10层），超过10层的石墨烯层结构一般被认为是石墨薄膜。目前，石墨烯材料按形貌可分为石墨烯纳米片、纳米线、纳米带和膜等按状态主要分为石墨烯和氧化石墨烯，两者均有固体粉末和液态浆料两种形态。