想想不起眼的铅笔。得知这种现在很常见的书写工具曾一度位居必备高科技产品之首，可能会让人感到惊讶。事实上，简单的铅笔曾经甚至被禁止出口，被视为战略军事资产。但可能更出乎意料的是，每次有人用铅笔划线时，产生的痕迹都包含着物理学和纳米技术中最热门的新材料：石墨烯。
石墨烯来自石墨，铅笔中的“铅芯”：一种由扁平堆叠的原子层构成的纯碳。石墨的分层结构在几个世纪前就被人们认识到了，因此物理学家和材料科学家自然而然地尝试将这种矿物分解成其组成片层——即使只是为了研究一种几何结构可能非常简洁优雅的物质。石墨烯就是这样一种片层的名称。它完全由碳原子组成，这些碳原子以重复的六边形网络结合在一起，位于一个原子厚的单层平面内。
然而，多年来，所有制造石墨烯的尝试都以失败告终。早期最流行的方法是在石墨的原子平面之间插入各种分子，以楔开这些平面——这种技术称为化学剥离。虽然石墨烯层几乎肯定在工艺的某个短暂阶段从石墨上脱离，但它们从未被识别出来。相反，最终产品通常以石墨颗粒的浆液形式出现——与湿烟灰没有太大区别。早期对化学剥离的兴趣逐渐消退。
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此后不久，实验人员尝试了一种更直接的方法。他们通过刮擦或摩擦石墨晶体与其他表面，将石墨晶体分成越来越薄的薄片。尽管这种技术很粗糙，但被称为微机械剥离的技术效果出奇地好。研究人员成功地剥离了由少于100个原子平面组成的石墨薄膜。例如，到1990年，德国亚琛工业大学的物理学家已经分离出薄到光学透明的石墨薄膜。
十年后，我们中的一位（金），与当时哥伦比亚大学的研究生张远波合作，改进了微机械剥离方法，创造了一种高科技版的铅笔——当然是“纳米铅笔”。用纳米铅笔“书写”产生了只有几十个原子层厚的石墨切片。尽管如此，得到的材料仍然是薄石墨，而不是石墨烯。没有人真正期望这种材料会在自然界中存在。
这种悲观的假设在2004年被打破。我们中的一位（盖姆），与当时的博士后研究员科斯提亚·S·诺沃肖洛夫以及他在英国曼彻斯特大学的同事合作，正在研究各种方法来制造更薄的石墨样品。当时，大多数实验室都从烟灰开始进行此类尝试，但盖姆和他的同事偶然地从通过蛮力分离石墨后留下的碎片开始。他们只是将一片石墨碎片粘在塑料胶带上，将胶带的粘性面折叠在碎片上，然后将胶带拉开，将碎片一分为二。随着实验人员重复这个过程，得到的碎片变得越来越薄。一旦研究人员得到许多薄碎片，他们就仔细检查这些碎片——并惊讶地发现有些碎片只有一个原子厚。更出乎意料的是，新发现的石墨烯碎片被证明具有高晶体质量，并且即使在室温下也具有化学稳定性。
石墨烯的实验发现引发了国际研究界的广泛兴趣。它不仅是所有可能材料中最薄的，而且极其坚固和刚硬。此外，在其纯净形式下，它在室温下导电的速度比任何其他物质都快。世界各地实验室的工程师目前正在仔细研究这种物质，以确定它是否可以制造成超强复合材料、智能显示器、超高速晶体管和量子点计算机等产品。
与此同时，原子尺度下石墨烯的特殊性质使物理学家能够深入研究必须用相对论量子物理学描述的现象。迄今为止，研究这些现象（其中一些是自然界中最奇异的现象）一直是天体物理学家和高能粒子物理学家的专属领域，他们使用价值数百万美元的望远镜或价值数十亿美元的粒子加速器。石墨烯使实验人员有可能用实验室台式设备测试相对论量子力学的预测。
认识石墨烯家族
考虑到铅笔在今天的普及程度，似乎令人惊讶的是，被称为石墨的物质在古代文明（如中国或希腊）中并没有发挥作用。直到16世纪，英国人才发现了一大片纯石墨矿藏，当时被称为plumbago（拉丁语“铅矿”）。但它作为标记物的用途立即显现出来，英国人立即抓紧时间将其制成易于使用的替代羽毛笔和墨水的工具。铅笔很快在欧洲知识分子中风靡一时。
但直到1779年，瑞典化学家卡尔·舍勒才证明plumbago是碳，而不是铅。十年后，德国地质学家亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳建议，这种物质更恰当地称为石墨，源自希腊语，意思是“书写”。与此同时，军火制造商发现了这种易碎矿物的另一种用途：他们发现它非常适合作为炮弹铸造模具的衬里。这种用途成为一项严守的军事秘密。例如，在拿破仑战争期间，英国王室禁止向法国出售石墨和铅笔。
近几十年来，随着研究人员探索了普通石墨材料中存在的几种以前未被认识的碳分子形式的性质和潜在应用，石墨重新获得了一些曾经崇高的技术地位。其中第一个是足球状分子，被称为巴克球，于1985年由美国化学家罗伯特·科尔和理查德·E·斯莫利以及他们的英国同事哈里·克罗托发现。六年后的1991年，日本物理学家饭岛澄男发现了蜂窝状的圆柱形碳原子组件，即碳纳米管。尽管许多研究人员在早年就报道过纳米管，但它们的重要性并未得到重视。这两种新的分子形式都被归类为富勒烯。（这个名称和术语“巴克球”是为了纪念有远见的美国建筑师和工程师巴克敏斯特·富勒而命名的，他在碳形式本身被发现之前就研究过这些形状。）
分子鸡丝网
石墨、富勒烯和石墨烯共享其组成原子的相同基本结构排列。每种结构都以六个碳原子开始，这些碳原子以化学方式紧密结合在一起，形成规则的六边形——化学家称之为苯环。
下一个组织层次是石墨烯本身，它是苯环的大型组件，以六边形片状连接在一起，类似于鸡丝网。其他石墨形式是由石墨烯构建而成的。巴克球和许多其他非管状富勒烯可以被认为是包裹成原子级球体、细长球体等的石墨烯片。碳纳米管本质上是卷成微小圆柱体的石墨烯片。正如我们前面提到的，石墨是石墨烯片的厚三维堆叠；这些片层通过称为范德华力的弱吸引分子间力结合在一起。相邻石墨烯片层之间微弱的耦合使得石墨很容易被分解成微小的薄片，这些薄片构成了人们用铅笔书写时留在纸上的痕迹。
事后看来，很明显，富勒烯尽管直到最近才被注意到，但一直近在咫尺。例如，它们存在于覆盖每个烧烤架的烟灰中，尽管数量很少。同样，石墨烯碎片无疑也存在于每个铅笔痕迹中——尽管它们也长期未被检测到。但自从它们被发现以来，科学界对所有这些分子都给予了极大的关注。
巴克球主要作为一种全新分子的例子而引人注目，尽管它们也可能具有重要的应用，尤其是在药物输送方面。碳纳米管结合了一系列不寻常的特性——化学、电子、机械、光学和热学特性——这些特性激发了各种各样的创新潜在应用。这些创新包括可能取代微芯片中硅的材料，以及可能编织成轻质、超强电缆的纤维。尽管石墨烯本身——所有石墨形式的母体——只是在几年前才成为这些愿景的一部分，但似乎这种材料将比其碳同类物提供更多的基本物理学见解和更引人入胜的技术应用。
非凡的例外
石墨烯的两个特点使其成为一种非凡的材料。首先，尽管它仍然以相对粗糙的方式制造，但石墨烯表现出非常高的质量——这归因于其碳含量的纯度和其碳原子排列成的晶格的有序性的结合。到目前为止，研究人员尚未在石墨烯中发现任何原子缺陷——例如，晶格中某些原子位置的空位或原子错位。这种完美的晶体有序性似乎源于强大而又高度灵活的原子间键，这创造了一种比钻石更坚硬的物质，但允许平面在施加机械力时弯曲。这种灵活性使得结构能够在原子必须重新排列以适应应变之前容纳大量的变形。
其晶格的质量也是石墨烯具有非常高的导电性的原因。它的电子可以无阻碍地传输，而不会被晶格缺陷和外来原子散射出轨道。即使来自周围碳原子的 jostling，石墨烯中的电子在室温下必须忍受这种 jostling，也相对较小，因为原子间键的强度很高。
石墨烯的第二个非凡特性是，它的传导电子除了在晶格中基本不受阻碍地传输外，移动速度更快，并且似乎比在普通金属和半导体中游荡的电子的质量小得多。事实上，石墨烯中的电子——也许“电荷载流子”是一个更合适的术语——是生活在奇异世界中的奇怪生物，在这个世界中，类似于相对论量子力学规则的规则发挥着重要作用。迄今为止，就任何人所知，这种固体内部的相互作用是石墨烯独有的。由于来自铅笔的这种新型材料，相对论量子力学不再局限于宇宙学或高能物理学；它现在已经进入了实验室。
碳平面世界的宇宙大爆炸
为了理解石墨烯中电荷载流子的奇异行为，将其与普通电子在普通导体中传输的方式进行比较可能很有用。构成电流的“自由”电子，例如在金属中，并不是真正自由的；它们的行为并不完全像在真空中移动的电子。当然，电子带负电荷，因此当它们在金属中移动时，会在它们起源的金属原子中留下电荷亏损。因此，当电子在晶格中移动时，它们会与晶格产生的静电场相互作用，这些静电场以复杂的方式推拉它们。最终结果是，移动的电子的行为就像它们具有与普通电子不同的质量一样——它们所谓的有效质量。物理学家将这种电荷载流子称为准粒子。
这些带电的、类电子的粒子在导电金属中的移动速度远低于光速。因此，没有必要将爱因斯坦的相对论理论应用于它们的运动；只有在速度接近光速时，该理论才变得重要。相反，导体中准粒子的相互作用可以用熟悉的牛顿经典物理学或“普通”（即非相对论）量子力学来描述。
当电子穿过石墨烯中碳原子的鸡丝网时，它们的行为也好像是一种准粒子。然而，令人惊讶的是，石墨烯中的载流准粒子的行为与电子不太相似。事实上，其最接近的类似物是另一种基本粒子，即几乎没有质量的中微子。当然，中微子，按照其名称，是电中性的（在意大利语中，中微子意味着“小中性粒子”），而石墨烯中的准粒子携带与电子相同的电荷。但由于中微子以接近光速的速度传播，无论其能量或动量如何，都必须用相对论理论来描述它。同样，石墨烯中的准粒子始终以恒定的高速移动，尽管比光速慢约 300 倍。尽管其速度有所降低，但其行为与中微子的相对论行为非常相似。
石墨烯中准粒子的相对论性质使得普通的非相对论量子力学在描述它们如何运作方面变得无用。物理学家必须在他们的理论库中寻求更复杂的框架：相对论量子力学，现在被称为量子电动力学。该理论有其自身的语言，而该语言的核心是英国物理学家保罗·A·M·狄拉克的名字命名的概率方程，他于 1920 年代首次写下了他的方程。因此，理论家有时将在石墨烯中移动的电子描述为无质量狄拉克准粒子。
来自“虚无”的粒子
不幸的是，解释量子电动力学从来都不是一帆风顺的，总是需要与普通的直觉进行一番搏斗。人们必须熟悉那些看似自相矛盾的现象，即使永远无法完全适应。量子电动力学的悖论通常源于以下事实：相对论粒子总是伴随着它们的反世界分身：反粒子。例如，电子与称为正电子的反粒子配对。它的质量与电子的质量完全相同，但其电荷为正。粒子-反粒子对可以在相对论条件下出现，因为对于一个极速运动、高能量的物体来说，产生一对“虚粒子”只需花费很少的能量。奇怪的是，该对粒子直接从虚无中出现——从真空中出现。
发生这种情况的原因是量子力学中海森堡不确定性原理的众多版本之一的推论：粗略地说，事件在时间上被指定的越精确，与该事件相关的能量量就越不精确。因此，在极短的时间尺度上，能量几乎可以取任何值。由于能量等同于质量，根据爱因斯坦著名的公式E = mc 2，等同于粒子及其反粒子质量的能量可以凭空出现。例如，一个虚电子和一个虚正电子可以突然出现，通过从真空中“借用”能量，只要虚粒子的寿命足够短，以至于能量亏损在被检测到之前就被偿还。
量子电动力学中真空的有趣活力导致了许多奇特的效应。克莱因悖论就是一个很好的例子。它描述了相对论物体可以通过任何势能垒的情况，无论势能垒有多高或多宽。一种熟悉的势能垒是山谷周围地形中普通的隆起。一辆卡车离开山谷时，会随着上坡而获得势能，这以发动机燃烧燃料释放的能量为代价。但是，从山顶上，卡车可以在发动机关闭且变速箱处于空档的情况下滑下山坡。它通过爬坡获得的势能会转化为卡车向下滚动时的动能。
测试奇异现象
粒子也可以很容易地自己“下坡”，从相对较高的势能区域移动到相对较低的势能区域。然而，如果高势能的“山坡”包围着能量“山谷”中的粒子，那么粒子与在真实山谷中汽油耗尽的卡车一样被困住。对于该结论有一个很大的警告，它发生在普通的非相对论量子力学中。海森堡不确定性原理的第二个版本指出，不可能知道粒子的确切位置。因此，物理学家以概率方式描述粒子的位置。一个奇怪的后果是，即使一个低能量粒子似乎被高势垒“捕获”，也存在一些概率，即该粒子稍后会在该势垒之外被发现。如果确实如此，则其幽灵般的穿过能量势垒的过程称为量子隧穿。
在非相对论量子隧穿中，低能量粒子隧穿通过高势能垒的概率是变化的，但永远不可能达到 100%。随着势垒变得更高更厚，量子隧穿的概率会降低。然而，克莱因悖论完全改变了量子隧穿的特性。它指出，相对论粒子应该以 100% 的概率隧穿通过高能量和广阔范围的势垒区域。在势垒处，粒子只会与它们的反粒子双胞胎配对，反粒子双胞胎以颠倒、乱七八糟的方式体验世界，在反粒子双胞胎看来，真实世界的山丘是反粒子山谷。在轻松地穿过势垒的奇特反世界山谷后，反粒子在另一侧转换回粒子并畅通无阻地出现。即使对于许多物理学家来说，量子电动力学的这种预测也显得非常违反直觉。
如此古怪的预测迫切需要测试，但长期以来，克莱因悖论是否可以被测试，即使在原则上也是如此，仍然不清楚。石墨烯中的无质量狄拉克准粒子现在来拯救了。在石墨烯中，克莱因悖论成为一种常规效应，具有容易观察到的后果。当载流的无质量狄拉克准粒子在石墨烯晶体中移动时，电压或势能差已被施加在石墨烯晶体上，实验人员可以测量材料的电导率。完美的（100% 概率）隧穿解释了人们期望从额外的势垒和边界获得的额外电阻的缺乏。研究人员现在正在测量这种隧穿粒子通过不同高度势垒的流动。物理学家预计，石墨烯还将有助于证明量子电动力学预测的许多其他古怪效应。
二维还是非二维
现在完全评估石墨烯的许多可能的技术应用还为时过早。但是，十多年来对碳纳米管（卷起的石墨烯）的研究为石墨烯提供了巨大的先发优势。认为为纳米管设想的几乎每个有用的角色也对它们的扁平表亲开放，这并非不合理。高科技产业正在为一些商业应用做计划，有些已经押注其前景。满足此类应用的需求将需要在工业规模上生产石墨烯，许多技术研究团队正在努力开发改进的生产技术。尽管石墨烯粉末已经可以工业量生产，但片状石墨烯仍然难以制造，目前可能是地球上最昂贵的材料。今天，小于人类头发厚度的微机械剥离石墨烯微晶的成本可能超过 1,000 美元。欧洲和美国几家机构——佐治亚理工学院、加州大学伯克利分校和西北大学等——已经在类似于半导体行业常见的碳化硅晶圆上生长了石墨烯薄膜。
与此同时，世界各地的工程师都在努力利用石墨烯独有的高度理想的物理和电子特性。例如，其高表面积体积比应使其在制造坚韧的复合材料方面得心应手。石墨烯的极端薄度也可能导致更高效的场发射器——在强电场存在下释放电子的针状设备。
可以通过施加电场来精细调整石墨烯的特性，这可能使其有可能构建改进的超导和所谓的自旋阀晶体管，以及超灵敏的化学探测器。最后，由重叠的石墨烯贴片制成的薄膜在用作液晶显示器和太阳能电池的透明导电涂层方面显示出巨大的前景。清单远非详尽，但我们预计一些利基应用可能在短短几年内进入市场。
摩尔定律的喘息之机？
一个工程方向值得特别提及：基于石墨烯的电子产品。我们已经强调，石墨烯中的电荷载流子以高速移动，并且相对较少地将能量损失给散射或与晶格中的原子碰撞。这种特性应该使其有可能构建所谓的弹道晶体管，即超高频设备，其响应速度将比现有晶体管快得多。
更诱人的是，石墨烯可能有助于微电子行业延长摩尔定律的寿命。电子工业的先驱戈登·摩尔在约 40 年前指出，可以在给定面积上挤压的晶体管数量大约每 18 个月翻一番。这种持续小型化的必然终结已经被过早地宣布了很多次。即使在纳米尺度上，石墨烯的卓越稳定性和导电性也可能使制造单个晶体管成为可能，其尺寸远小于 10 纳米，甚至可能小到单个苯环。从长远来看，人们可以设想从单张石墨烯片上雕刻出整个集成电路。
无论未来如何，这种单原子厚的奇妙世界几乎肯定会在未来几十年内保持在聚光灯下。工程师将继续努力将其创新副产品推向市场，物理学家将继续测试其奇异的量子特性。但真正令人惊讶的是，所有这些丰富性和复杂性都隐藏在几乎每个普通的铅笔痕迹中长达数个世纪。