縱觀諾貝爾獎的歷史，可以發(fā)現(xiàn)很少有如此“年輕”的研究成果。歷年來，只要是自然科學類的研究，從取得成果到獲得諾貝爾獎，大多數(shù)要間隔幾十年之久。比如試管嬰兒技術早在1976年就出現(xiàn)了，然而直到有300多萬的試管嬰兒誕生后，這項成果才獲得了2010年度的諾貝爾生物與醫(yī)學獎。那么近十年里來物理學獎的主角“石墨烯”是怎樣被發(fā)現(xiàn)的，又是憑借什么得到了諾獎評委的青睞呢？
得來全不費工夫
發(fā)現(xiàn)石墨烯的過程很曲折，卻又很簡單。
石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米(1納米=10億分之一米)，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。早在20世紀40年代，就有科學家對類似石墨烯的結(jié)構進行過理論研究，但很長的一段時間里，他們用盡了各種方法，卻始終沒能成功地獲得單層石墨烯。由此很多人認為，在有限的溫度下這樣的二維材料是不可能穩(wěn)定存在的。
當然，也有另外一些人堅持自己的觀點，并用實際行動來證明。哥倫比亞的年輕教授菲利普·金（P. Kim）帶領的科研小組一直在嘗試剝離石墨烯，用的方法看上去相當“高科技”。他們用AFM（原子力顯微鏡）的針尖掃過石墨頂端，企圖依靠針尖的力量帶下來幾片石墨烯，但仍以失敗而告終。
相對來說，海姆和諾沃謝洛夫的方法就太“簡陋”了。據(jù)海姆介紹，這個瘋狂實驗最初是交給一位新來的中國博士生的。他們買了一大塊高定向裂解石墨，讓這位博士生在一臺很好的拋光機上研磨，越薄越好。三個星期后，博士生跑來說成功了。但實際上，獲得的石墨片仍然厚達10微米，相當于1000層石墨烯。海姆問：“你能否再研磨得薄一點？”博士生說，需要另一塊石墨，這得花300美元。海姆沒有再買一塊石墨，他和他的助手諾沃謝洛夫決定用透明膠帶來試試。之所以想到透明膠帶，是因為研究小組當時引進了一位技術員來搭建低溫掃描隧道顯微鏡，而這位技術員清潔石墨樣品表面的方法就是用透明膠帶把石墨表層粘掉。這提醒了他們，如果不斷地粘起、撕開，就可以得到更薄的薄膜。
反復粘上10到20次之后，薄片最終產(chǎn)生了一些單層石墨烯。海姆和諾沃謝洛夫把剝離下來的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效應使薄片在顯微鏡下呈現(xiàn)彩色條紋，就像油膜在水面上產(chǎn)生的效果。利用這種效應，他們觀察到了單層石墨烯。就這樣，第一種二維晶體材料正式出現(xiàn)了。
2004年10月，美國《科學》雜志發(fā)表了他們的研究成果，引發(fā)了科學界對石墨烯的研究熱潮。對石墨烯了解得越多，人們就越驚訝于它的各種特性。
二維的碳
碳是神奇的元素，也是所有地球生命的基礎。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨，還可以是C60那樣的富勒烯。而石墨烯，則是碳的另一張奇妙臉孔。想象有那么一張單層的網(wǎng)，每一個網(wǎng)格都是一個完美的六邊形，每一個繩結(jié)都是一個碳原子。這張網(wǎng)只有一個原子那么厚，可以說沒有高度、只有長寬，是二維而不是三維的。這就是石墨烯，它是二維的碳、人類已知的最薄材料，一種正為物理學和材料學帶來許多新發(fā)現(xiàn)的東西。
神奇的特性
石墨烯打開了基礎物理和應用物理的一扇大門，對物理學基礎研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多極端的性質(zhì)。它是室溫下電的最佳導體，還是很好的導熱體并且透明易彎曲。石墨烯既是最薄的材料，也是人類已知的強度最高的材料，它的斷裂強度比最好的鋼材還要高出百倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。如果用一塊面積為1平方米的石墨烯，做成一個可以承受一只貓的重量的吊床，那么這個吊床本身的重量還不到1毫克，只相當于貓的一根胡須。
石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無法穿透它。
挽救摩爾定律
根據(jù)半導體業(yè)著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。但硅材料的加工極限一般認為是10納米線寬，當硅材料尺寸小于10納米時，它的物理、化學性能將發(fā)生質(zhì)的變化，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。提出該定律的摩爾本人公開表示，10年后摩爾定律將很難繼續(xù)有效。
石墨烯的出現(xiàn)或?qū)⒘钅柖傻靡匝永m(xù)。石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。電子可在石墨烯結(jié)構中以1/300光速的超高速度運行，因此它被視為制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的處理器頻率有望達到1THz以上，是目前硅芯片的100到1000倍。目前研究人員已開發(fā)出10納米級的可實際運行的石墨烯晶體管，并且開始研制由單原子組成的晶體管。
美國賓夕法尼亞州立大學也已經(jīng)成功制成了100毫米的純石墨烯晶圓（制作硅半導體集成電路所用的圓形硅晶片）。制造中，他們使用硅升華技術，去除了碳化硅晶圓中所有的硅，僅留下碳原子組成的石墨烯結(jié)構。該晶圓中包含的是石墨烯組成的場效應管元件，研究人員近期就會對其性能進行測試。下一步，他們還計劃改進結(jié)構，提升電子在石墨烯中的運行速度，使其接近1/300光速的理論極限。
而IBM公司則在賓夕法尼亞州立大學發(fā)布100毫米石墨烯晶圓的第二天，在《科學》雜志上展示了迄今為止頻率最高的射頻石墨烯晶體管，速度可達到100Ghz（即每秒1000億次），而此前的最好成績是40Ghz。 據(jù)了解，如此高的頻率是在晶圓尺度外延生長的石墨烯上獲得的，所使用的處理工藝與目前廣泛應用的硅設備制造技術也是兼容的。
也許，在不遠的將來，我們會在計算機上看到石墨烯纖薄卻又強悍的身影。
建造太空電梯
法國皇帝拿破侖曾經(jīng)說過：“筆比劍更有威力?！比欢?00年前說這話的時候絕對不會想到，人類使用的普通鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質(zhì)！石墨烯，這種比鉆石還強硬的物質(zhì)，它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍，并且原料是如此豐富。
它不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料，制造出超堅韌的防彈衣，甚至能用來打造3.7萬公里長的太空電梯，讓科學家的夢想成為現(xiàn)實。
人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。制造“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長達3.7萬公里并且足夠強韌的纜線。為了激勵科學家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發(fā)出了400萬美元的懸賞。石墨烯材料已被證實完全適合用來制造太空電梯纜線。
廣泛的應用前景
石墨烯可用于制造透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌的新型材料，用于制造汽車、飛機和衛(wèi)星。由于具備完美結(jié)構，石墨烯還能用來制造超靈敏的感應器，即使是最輕微的污染也能察覺。目前，IBM公司已經(jīng)制作出一種高頻石墨烯晶體管，韓國三星公司的研究人員也已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
在能源領域，石墨烯還可以用作電極材料。石墨烯是理論上最薄的材料，可用作透明導電膜的制造。石墨烯材料光的透過率在可見波段大于97%，導電性能也非常好，可以與稀有且昂貴的氧化銦錫（ITO）相競爭，而氧化銦錫普遍用于有機LED（OLED）顯示器透明電極中。
神奇的石墨烯，隨著人們對它的認識越來越深入，各種應用越來越成熟，將越來越多地出現(xiàn)在我們的身邊。石墨烯，這種二維的碳到底會給人類世界帶來什么樣的改變？讓我們拭目以待。