延续摩尔定律的新材料
撰文 安德烈・K・海姆（Andre K. Geim）
菲利普・金（Philip Kim）
翻译 汪长岭
审校 顾宁
每个人都用过铅笔。虽然它很不起眼，但仔细研究一下，我们就会惊奇地发现，这种书写工具称得上是一种高科技产品。在历史上，由于石墨在制造炮弹时的特殊作用，铅笔曾经被当作军事战略物资，禁止出口。更让人意想不到的是，当我们用铅笔写字作画时，一种新型材料便出现在铅笔笔痕中了――虽然数量很少。这种新型材料，就是石墨烯（graphene），它现在可是物理学和纳米科学中最热门的研究对象。
石墨烯来源于石墨（graphite）。石墨是由碳元素形成的一种单质，为层状结构。几个世纪以前，人们就发现了石墨的层状结构，所以物理学家和材料学家们都很自然地尝试将这种矿物质一层层地剥离开，并给单独的一层起名叫“石墨烯”。石墨烯的几何结构非常简单：由单个碳原子排列组合而成，呈六边形网状结构，只有一个原子那么厚。
但多年以来，所有企图制备石墨烯的实验均告失败。最早，科学家想用化学剥离法（chemical exfoliation）制备石墨烯，即在石墨相邻的原子面之间（即层与层之间）插入各种各样的分子，以此达到层层分离的目的。尽管在某一瞬间，石墨烯几乎要被分离出来，但它们单独存在的时间太短暂，科学家根本无法观察到它们。实验的最终产物通常是一团石墨浆，看上去就像潮湿的烟灰。屡遭失败后，人们渐渐对这种化学剥离方法心灰意冷了。
科学家们并没有放弃， 他们开始尝试一种更直接的方法：用石墨晶体跟其他物质摩擦，分离得到了由较少碳原子层构成的薄片。这种方法叫做微机械剥离法（micromechanical cleavage），尽管看上去有些粗野，却非常有效。运用这种手段得到的石墨薄片，碳原子层数还不超过100，可以说是相当薄了。1990 年，德国亚琛工业大学的物理学家制备的石墨薄片，甚至已经薄到透光了。
10 年后，在美国哥伦比亚大学研究生张远波（Yuanbo Zhang）的协助下，本文作者之一菲利普・金改良了微机械剥离法，创造出一种高科技铅笔――我们称之为“纳米铅笔”。纳米铅笔“写”出笔痕，实际上就是一块仅有几十个碳原子层厚的石墨薄片。然而，这样的石墨薄片还不是石墨烯――当时也没人能够想到，自然界真的会存在石墨烯。
2004 年， 设想终于成为了现实。本文另一位作者海姆和他的博士后助手科斯塔亚・S・ 诺沃肖洛夫（Kostya S.Novoselov），以及他在英国曼彻斯特大学的同事们，在尝试过多种方法后，制备出了更薄的石墨薄片样品。那时，几乎所有的研究小组都在尝试从碳灰（soot）中获得石墨烯，但海姆和他的同事偶然发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特制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。这样的薄片积累多了之后，研究者惊讶地发现，部分样品竟然仅仅由一层碳原子构成，也就是说，他们制出了石墨烯。更令人吃惊的是，近期的研究显示，石墨烯还能够在常温常压下保持化学稳定性。
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是所有已知材料中最薄的一种，还非常牢固和坚硬；作为一种单质结构，它在室温下传递电子的速度比所有已知导体都快。全球各个实验室的工程师也都在研究这一材料，确定能否将它制成各种产品，比如新型的超硬复合材料，或者精确的气敏元件，甚至量子计算机。
石墨烯在原子尺度上的结构非常特殊，这为物理学家研究那些必须用相对论量子物理学（relativistic quantum physics）才能描述的现象提供了可能。其中一些可以算是自然界中最奇特的现象，重要性甚至可以与天体物理学家和高能物理学家使用价值数百万美元的天文望远镜和价值数十亿美元的粒子加速器观察到的现象媲美。石墨烯的出现，使研究人员在实验室里，就能对相对论量子力学中的一些预言进行验证。
延续摩尔定律的新材料#e#
