石墨烯的结构和能
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发布时间：2022-04-27 00:34
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时间：2022-06-21 19:11
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。
经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。
以下实验证实了量子电动力学的预言：事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
另外，研究也发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的2．3万英里长（约合37000千米）太空电梯可能成为现实。
中国科学家发现最硬物质
谁也不会想到，铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！
法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
发现者是两华裔科学家
人们熟悉的铅笔是由石墨制成的，而石墨则是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成，石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。自从2004年石墨烯被发现以来，有关的科学研究就从未间断过。然而直到最近，美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑，石墨烯竟是目前世界上已知的强度最高的材料！
据悉，这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁（音译）一起研究得出的，而李成古研究“石墨烯”强度的主要工具之一，竟是普通的透明胶带！李成古向记者解释他们的“低科技”研究方法说：“为了了解石墨烯的强度，我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，于是我们想到了透明胶带。”科学家先将胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，然后再将胶带从硅片上撕下来，这时数千小片石墨都粘到了硅片上。
比钻石还要坚硬
硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。科学家开始采取高科技手段，将硅片放置在电子显微镜下进行观察，科学家花费数天时间，希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。
一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！
美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。
可做“太空电梯”缆线
据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！
人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。
代替硅生产超级计算机
不过据科学家称，尽管石墨在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人类已知强度最高的物质，但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。
据科学家称，石墨烯除了异常牢固外，还具有一系列独一无二的特性，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
