石墨烯和石墨之間有一種特殊的關(guān)系。石墨是一種我們可能熟悉的材料，例如鉛筆芯和干電池內(nèi)的電極。它的主要成分是石墨。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，石墨是一種層狀材料，由多層碳原子組成。對(duì)于每一層，它中的碳原子都是由非常穩(wěn)定的強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的。各層之間通過(guò)相對(duì)較弱的力相互結(jié)合，這使得層與層之間更容易分離。因此，厚石墨很容易分解成薄石墨片。因此，石墨的結(jié)構(gòu)可以生動(dòng)地比作一本書(shū)，每一頁(yè)紙都類(lèi)似于一層碳原子。我們要講的石墨烯是石墨“書(shū)”中的一頁(yè)“紙”。

那么，這篇“論文”之所以能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，有什么奇怪之處呢？關(guān)鍵在于石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)。首先，石墨烯只有一個(gè)原子層厚度，這是人類(lèi)制備出真正的二維材料，這顛覆了自然界不可能找到穩(wěn)定的二維晶體材料的傳統(tǒng)結(jié)論。第二，石墨烯中的碳原子呈規(guī)則的六邊形蜂窩狀排列。這種排列導(dǎo)致石墨烯具有非常特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)，這使得它包含了豐富而新穎的物理現(xiàn)象和性質(zhì)。在凝聚態(tài)領(lǐng)域，材料的電子性質(zhì)可以用薛定諤方程來(lái)描述。然而，石墨烯是個(gè)例外。石墨烯中的電子輸運(yùn)遵循Dirac方程，其中載流子是無(wú)質(zhì)量的，是一個(gè)相對(duì)論性粒子，其有效速度接近光速。這種材料的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的一個(gè)新領(lǐng)域。。

從材料科學(xué)的角度來(lái)看，石墨烯具有許多特殊而優(yōu)異的性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。這里有一些例子

（1） 石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率。石墨烯的遷移率是傳統(tǒng)硅基材料的幾十倍甚至幾百倍。載流子遷移率是微電子器件的一個(gè)非常重要的參數(shù)。如果遷移率太低，將導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)熱和低響應(yīng)頻率。因此，石墨烯以其高遷移率和良好的導(dǎo)熱性被認(rèn)為是一種理想的電子器件材料。

（2） 在航空航天領(lǐng)域，石墨烯可作為某些部件表面的保護(hù)層，以減少宇宙射線(xiàn)激發(fā)的二次電子。

（3） 石墨烯具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯的熔點(diǎn)高達(dá)3652℃。耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，穩(wěn)定性好。

（4） 石墨烯是目前世界上最強(qiáng)的材料。據(jù)估計(jì)，如果用石墨烯制作一層厚度相當(dāng)于普通食品塑料袋厚度（約100nm厚）的薄膜，則能承受約兩噸重貨物的壓力而不致破裂。一些科學(xué)家指出，具有這種強(qiáng)度的材料可能成為未來(lái)“太空電梯”的首選材料。

（5） 具有納米級(jí)孔的石墨烯可用于海水淡化。在生物學(xué)研究中，DNA測(cè)序可以通過(guò)讓長(zhǎng)DNA鏈一次穿過(guò)石墨烯納米孔來(lái)完成。

我們?cè)谌粘Ｉ钪心芙佑|到這種材料嗎？

從以上描述可知，石墨烯可以通過(guò)細(xì)化石墨來(lái)獲得。石墨是自然界中分布廣泛的一種物質(zhì)，在日常生活中可以與之接觸。比較常見(jiàn)的例子就是鉛筆。當(dāng)你用鉛筆寫(xiě)字時(shí)，你會(huì)在紙上留下一絲石墨的痕跡，實(shí)際上你在制造石墨烯。