林天全

琳琅荟萃，盛举共襄。上海世博会的隆重开园汇集了全世界的目光。目光所及，乃举世珍奇。而这些举世珍奇是凝聚着现代科技。世博园的许多高科技产品如新能源汽车以及开园仪式上的“金钥匙”等背后都有纳米材料的贡献。纳米技术正推动着新一轮的现代科技革命。

其实，纳米材料与我们生活紧密相连。我们每个人都有使用铅笔的经历，可你是否曾想过石墨为什么能在纸上留下笔迹？那是因为铅笔芯的石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的新材料——石墨烯。石墨烯这个名称来源于与用铅笔写字相似的发现过程。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·杰姆(Andre K. Geim)实验室的科研人员将很薄的碎石墨片用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成，即为石墨烯——由碳原子构成的单原子层的材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，将其20万片薄膜叠加到一起,也只相当一根头发丝的厚度。它可以卷成0维的富勒烯和一维的碳纳米管，并可以堆垛成三维的石墨。

石墨烯这种单原子层材料具有非常奇异的物理特性，是目前发现的最薄最硬的材料。电子在石墨烯中的运动速度达到了光速的1/300，是硅材料的100倍，也远远超过了电子在一般导体中的运动速度。如果用石墨烯做成晶体管，其理论频率可达1 THz。2010年3月，美国IBM公司在著名期刊《Science》上发表文章称其已制备出频率高达100 GHz的晶体管，高于硅基晶体管的极限频率，是目前世界上最快的晶体管。目前，研究人员已制备出大面积（大约50平方毫米）石墨烯，并成功制造运行了大量电子器件。因此，石墨烯有望用于替代硅，成为新一代电子器件的主题材料。

石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料。在石墨烯样品微粒开始碎裂前,其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛.这一结果相当于,施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂.如果能制作出厚度相当于塑料包装袋(厚度约100纳米)的石墨烯，那么需要施加约两万牛顿的压力才能将其扯断。这意味着石墨烯比钻石还要坚硬。它有望用于梦幻般的“太空电梯”的缆线。目前，“太空电梯”的最大难点之一在于如何制造出可以从地面延伸到空间站长达23000公里而不因重力折断的材料。而石墨烯的出现为解决这一难题带来契机。如果成功的制造出“太空电梯”，那人类讲更接近太空。此外，因石墨烯的高强度高韧性，它可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料以及超坚韧的防弹衣。

此外，石墨烯的热导率是室温下纯金刚石的3倍（高达5000 W/ m·K）；石墨烯对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性，有望用于透明导体及太阳能电池；石墨烯对锂离子的存储能力是石墨的近10倍；石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。因此，石墨烯有望在未来信息、能源、机械和医疗等领域获得广泛的应用。

石墨烯在潜在的应用领域

我们中科院上海硅酸盐研究所经过近一年的努力，已经用简易的化学方法制备出石墨烯，并成功的将其应用于太阳能电池。如将石墨烯替代贵金属基的材料，能做成“石墨烯太阳能电池”，则可以减缓资源、能源与环境的压力。

中科院上海硅酸盐所制备得到石墨烯薄膜

石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。