有一種材料：比鋼強200倍，比紙輕1000倍

2004年，曼徹斯特大學的兩位科學家進行了一個看似簡單的實驗，結果可能會改變世界。在實驗室，研究人員安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃塞洛夫（Konstantin Novoselov）玩弄著石墨，這是製作鉛筆芯的材料。石墨由彼此堆疊的超薄純碳片製成。海姆（Geim）和諾沃塞洛夫（Novoselov）想看看他們是否可以分離出單片石墨，即只有一個原子厚的薄碳層。

於是，他們找來一卷透明膠帶，然後開始了他們的試驗。英國廣播公司（BBC）報道，這就是海姆描述他們所採用的技術的方式。

“您將粘膠帶放在石墨或雲母上，然後剝去表層。膠帶上會有石墨片脫落。然後將膠帶對摺，然後將其貼上到表面的薄片上，然後再分開。您將這個過程重複10或20次。每次，薄片都變得越來越薄。最後，一層非常薄的石墨薄片附著在膠帶上，然後將膠帶溶解，於是我們獲得了實驗想要的東西。”

粘膠帶方法有效！透過隔離單層碳，海姆和諾沃塞洛夫（Novoselov）發現了一種前所未有的材料，即石墨烯，該材料現在被認為是地球上最堅固、最輕和最導電的物質。

2010年，海姆和諾沃塞洛夫（Novoselov）因發現石墨烯而獲得了諾貝爾物理學獎，全世界的研究人員開始倡導使用這種非凡的“超級材料”，來製造功能更強大、壽命更長的電池，更快的微晶片，柔性電路，可植入生物感測器。十年後，石墨烯尚未兌現被大肆宣傳的承諾，但業內人士有信心，我們最終將在未來幾年看到使用基於石墨烯的技術的智慧手機、電動汽車和感測器。

為什麼石墨烯是超級材料？

一片石墨烯厚度僅為一個原子厚，該超級材料所具備的優點：

透過負載測試，石墨烯比鋼強200倍。

它比紙張輕1000倍。

它是98％透明的。

在室溫下，它的導電效能優於任何其他已知材料。

它可以將任何波長的光轉換為電流。

最後但並非最不重要的一點是，石墨烯是由碳製成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我們不太可能耗盡它。

石墨烯從其結構中獲得了超能力。如果可以放大得足夠近，您會發現一片石墨烯看起來像原子級蜂窩。單個碳原子以類似於雞絲的六邊形排列。石墨烯片中的每個碳原子都與其他三個碳原子共價鍵合，從而使該材料具有不可思議的強度。

為什麼石墨烯導電性好？同樣，由於那些碳原子鍵合的方式。每個碳原子的外殼中都有四個電子，但是這些電子中只有三個與其相鄰的三個碳原子共享。剩餘的電子稱為pi電子，並且可以在三維空間中自由移動，這使它可以在幾乎沒有電阻的情況下跨石墨烯片傳輸電荷。實際上，石墨烯是室溫下任何已知物質中最快的電導體。

圖注：在卡博特公司，高階研究員馬特·海斯克思在三個小瓶中研究石墨烯的進度。左邊的小瓶是石墨，中間的石墨是膨脹的，右邊的是石墨烯。

魔角

最近的發現可能會給石墨烯的吹牛清單又添加了一行。麻省理工學院（MIT）的一個小組正在研究雙層石墨烯——兩層單原子石墨烯堆疊在一起——當他們偶然發現了石墨烯的一種新近神奇的特性時。當各層之間略微錯開旋轉（正好為1。1度的位移）時，石墨烯將成為超導體。超導體是最稀有的導電材料，它完全沒有電阻且熱量為零。

石墨烯“魔角”的發現在科學界引起了衝擊波。儘管該實驗是在極低的溫度（接近0開氏溫度或零下459。67 F）下進行的，但它打開了將石墨烯與其他超導元素結合在一起，使我們比以往更接近室溫超導性的可能性。這樣的成就將從根本上改善從小工具到汽車到整個電網的一切能源效率。

石墨烯如何轉變技術？

奈米技術教授，劍橋大學石墨烯中心主任安德里亞·費拉里（Andrea Ferrari）說，超導電性還需要幾十年的時間，但是革命性的基於石墨烯的產品要早得多地投放市場。

費拉里說：“到2024年，市場上將會有各種各樣的石墨烯產品，包括電池、光子學、夜視攝像機等等。”

多年來，消費者一直在等待基於石墨烯的電池。我們所有小工具中的鋰離子電池充電速度相對較慢，汁液很快流失，經過一定次數的迴圈後就會燒壞。這是因為為鋰離子電池供電的電化學過程會產生大量熱量。

但是由於石墨烯是世界上最有效的電導體，因此在充電或放電時產生的熱量要少得多。基於石墨烯的電池有望比鋰離子電池快五倍的充電速度、三倍的電池壽命和五倍的更換週期。

三星和華為等電子公司正在積極開發用於智慧手機和其他小工具的石墨烯電池，但最早進入市場的電池是2021年。至於電動汽車中的石墨烯電池——這可能會顯著增加其駕駛半徑——這還有幾年時間。整個行業都建立在鋰離子技術之上，不會一夜之間改變。

“電池行業非常保守，”石墨烯公司的執行長耶穌·德拉富恩特說，該公司向學術研究人員和研發部門生產和銷售純石墨烯和石墨烯晶片。“它可能會每五到十年改變一次電池的組成，這使得在這個行業很難推出新產品。”

市場上有一些石墨烯電池，包括來自一家名為石墨烯旗艦公司的有線和無線充電器，但這只是冰山一角。費拉里（他也是石墨烯旗艦公司的科技官員。）說，歐盟為加快石墨烯技術的發展而與石墨烯公司合作了10億歐元。與旗艦公司合作的研究合作伙伴已經在生產石墨烯電池，其容量和能量都優於當今最好的高能電池 20% 的容量和 15% 的能量。其他團隊已經建造了石墨烯太陽能電池，這種太陽能電池在將陽光轉化為電能方面效率提高20%。

石墨烯的其他用途

儘管石墨烯電池可能首先進入市場，但研究人員正在忙於開發這種奇蹟材料的無數其他應用。

生物感測器很重要。想象一下一個非常薄且靈活的晶片，可以將其注射到血液中以監控實時健康資料，例如胰島素水平或血壓。或者是石墨烯介面，它可以向大腦來回傳送訊號，以檢測即將發生的癲癇發作，甚至可以預防癲癇發作。細長的可伸縮感測器也可以戴在面板上或編織到衣服的織物上。

圖注：中國香港理工大學物理學教授嚴峰博士於2015年擁有具有石墨烯電極的低成本半透明太陽能電池的新發明。

光子學是已經納入石墨烯的另一個領域。透過將石墨烯整合到光敏晶片中，相機和其他感測器甚至可以極大地提高對可見光譜和不可見光譜中最微弱的光波的靈敏度。這不僅將改善照相機和望遠鏡的影象質量，而且還將改善醫學影象。

過濾是石墨烯的又一個有希望的應用。用石墨烯聚合物製成的簡單淨水過濾器可以與飲用水中的有機和無機汙染物結合。石墨烯旗艦公司的研究人員還建立了基於石墨烯二極體的脫鹽技術，該技術可以從海水中去除60％以上的鹽，用於農業和其他用途。

所有這些發展都需要時間，但劍橋石墨烯中心的費拉里有信心石墨烯將如期實現。實際上，他對大約2，000種其他單層材料的尚未發現的特性同樣感到興奮。

“如我們正在探索的石墨烯，實際上我們還在探索類似其他單層材料。”費拉里說， “事情正在朝著正確的方向發展。”