作者:王艳红 来源:新华网 发布时间:2010-10-6 9:46:23
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2010年诺贝尔物理学奖成果解读
 
碳是最重要的元素之一,它有着独特的性质,是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在,可以是坚硬的钻石,也可以是柔软的石墨。2010年诺贝尔物理学奖所指向的,是碳的另一张奇妙脸孔:石墨烯。
 
想象有那么一张单层的网,每一个网格都是一个完美的六边形,每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚,可以说没有高度、只有长宽,是二维而不是三维的。这就是石墨烯,它是二维的碳,人类已知的最薄材料,一种正为物理学和材料学带来许多新发现的东西。
 
由于这种材料是从石墨中制取的,而且包含烯类物质的基本特征——碳原子之间的双键,所以称为石墨烯。实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。层与层之间附着得很松散,容易滑动,使得石墨非常软、容易剥落。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
 
科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究,但在此后很长时间里,制取单层石墨烯的努力一直没有成功,有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。2004年10月,发表在美国《科学》杂志上的一篇论文推翻了这种认知。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用普通胶带完成了他们的“魔术”。
 
他们用胶带从石墨上粘下薄片,这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上十到二十次之后,薄片就变得越来越薄,最终产生一些单层石墨烯。这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法,并不是他们的首创。在此之前就有人试过,但没能辨识出单层石墨烯。
 
海姆和诺沃肖洛夫把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上,光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹,就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应,他们观察到了单层石墨烯。就这样,第一种二维晶体材料正式出现了。之后,人们又制备出一些其他二维材料,例如氮化硼和二硫化钼的二维晶体。
 
石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证,例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的,是它那许多“极端”性质的应用前景。
 
石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,可以承受一只猫的重量,而吊床本身重量不足1毫克,只相当于猫的一根胡须。
 
石墨烯的导电性比铜更好,导热性远超一切其他材料。它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是氦原子——最小的气体原子也无法穿透。
 
科学家认为,利用石墨烯制造晶体管,有可能最终替代现有的硅材料,成为未来的超高速计算机的基础。晶体管的尺寸越小,其性能越好。硅材料在10纳米的尺度上已开始不稳定,而石墨烯可以将晶体管尺寸极限向下拓展到1个分子大小。海姆和诺沃肖洛夫已于2008年制造出1个原子厚、10个原子宽的晶体管。
 
石墨烯还可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。在塑料里掺入百分之一的石墨烯,就能使塑料具备良好的导电性;加入千分之一的石墨烯,能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料,用于制造汽车、飞机和卫星。由于具备完美结构,石墨烯还能用来制造超灵敏的感应器,即使是最轻微的污染也能察觉。
 
但这样梦幻般的情景离实际还有距离,其中新型超级计算机这样的东西更是十分遥远。这种二维的碳到底会给人类世界带来什么样的改变,即使是刚刚戴上诺贝尔奖桂冠的研究者们,也无法预知。
 
相关专题:2010年诺贝尔奖
 
 
 
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