解讀“石墨烯”

石墨烯（graphene）是碳單質的一種同素異形體，由碳原子以sp2雜化方式形成的六角環狀二維原子晶體材料，也是以sp2雜化為主的碳質材料的基本結構單元。

理論上，石墨烯只有單個碳原子層的厚度，約0.35納米。實際上，人們常把10層以內的薄層石墨統稱為石墨烯材料。石墨烯譯自英文“graphene”，是由graphite（石墨）和ene（烯類詞尾）組合而成的名詞。

2010年10月，瑞典皇家科學院宣布將2010年度諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授，以表彰他們在石墨烯方面的開創性實驗研究。這是繼1996年諾貝爾化學獎授予富勒烯的發現之后，再次表彰碳材料領域的重大科學成就。

事實上，人類對石墨烯的結構并不陌生，石墨烯與石墨、金剛石一樣，完全由碳原子構成。它是由單層碳原子構成的二維蜂窩狀晶體材料。石墨烯的研究可追溯到20世紀40年代，1947年，加拿大的菲利普·華萊士首次計算了石墨烯的電子結構，發現其具有奇特的線性色散關系。1962年，德國的漢斯-皮特·波姆將氧化石墨還原，在透射電子顯微鏡下觀察到了原子厚度的石墨烯片。2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫采用了簡單有效的粘膠帶剝離法，從石墨晶體中分離出高質量的單層和少層石墨烯，使對石墨烯性質的研究成為可能，并發現其具有半金屬特性和雙極性電場效應。隨后，科學家們陸續發現石墨烯具有許多獨特而優異的物理、化學、力學性質，如無質量的狄拉克費米子、量子霍爾效應、極高的載流子遷移率、亞微米尺度的彈道輸運特性，以及超大比表面積和極高的熱導率、透光率、彈性模量與強度。因此，石墨烯可能在信息、能源、航空、航天等領域獲得重要應用，包括用于新型動力電池、高效散熱膜、透明觸摸屏、可穿戴設備、超靈敏傳感器、智能玻璃、低損耗光纖、高頻晶體管、防彈衣、輕質高強航空航天材料，等等。

石墨烯一出現即備受關注，迅速成為材料科學、凝聚態物理等領域的新星。我國雖在石墨烯研究領域起步稍晚，但現在已是世界上石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家。目前，石墨烯的研究與開發仍面臨著一系列挑戰，特別是在高質量石墨烯的可控規模制備與不可替代應用開拓方面。但筆者相信，經過政、產、金、學、研、用的全方位努力，石墨烯這一結構簡單而性能優異的新材料，必將成為支撐人類生產、生活發展的神奇材料。

（轉載自“學習強國每日科技名詞欄目”，作者成會明為中國科學院金屬研究所研究員、清華大學清華-伯克利深圳學院教授、中國科學院院士、發展中國家科學院院士）