过去十年里，纳米科技领域最受宠爱、研究人员最喜欢的碳形式一直是纳米管。这种细长、像鸡笼网一样的原子卷筒被誉为易于导电的通道，曾引发人们对超微型电路的梦想，这种电路可能有一天会取代硅，成为计算机技术的主力。
但纳米管始终存在缺点：难以精确排列，而且在不损失大部分卓越导电性的情况下，很难将其连接到外部世界。
现在，一种新的碳宝石吸引了纳米技术研究人员的目光，他们中的一些人已经开始猜测，它可能会在纳米管未能成为电子产品救世主的地方继续前进。
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哦，顺便说一句，你可以用透明胶带制作它。
它被称为石墨烯，本质上是一种展开的纳米管——排列成蜂窝状的单层原子。这种差异听起来可能只是表面上的，但当目标是操作只有几个原子厚的东西时，从管状到片状会产生很大的差异。
尽管石墨烯在应用道路上也面临许多障碍，但其结合了奇异的物理学和高科技潜力，正在吸引着大量的研究人员。“目前，至少存在一个巨大的希望……石墨烯可能是未来，” 英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆说道，他于 2004 年首次分离出石墨烯。
碳的巨大炒作
今天，英特尔和其他制造商从餐盘大小的硅晶圆上冲压出微芯片。通过创建越来越详细的冲压，他们将越来越多的被称为晶体管的微小开关塞入芯片中。但研究人员认为，一旦硅电路缩小到 10 纳米，半导体行业预计这将在 2020 年之后发生，它们将开始大量泄漏电流。英特尔和 IBM 今年已经宣布，他们将开始在即将推出的 45 纳米晶体管中添加新材料以抵消泄漏电流。
问题在于，接下来使用什么材料。许多材料都为此角色做好了准备。像碳纳米管一样，石墨烯符合第一个要求：它是一种快速的导电材料，比许多半导体都好。与纳米管一样，每个碳原子都有三个相邻原子和一个未使用的电子，可以自由地跳跃，因此可以导电。
但是纳米管以密集的丛林形式生长，难以分离和精确定位。为了用它们制造电路，研究人员必须连接相对笨重的导线，这会破坏它们的大部分导电性。“碳纳米管集成电子产品从一开始就被大肆宣传，”佐治亚理工学院的纳米管兼石墨烯研究员沃尔特·德·希尔说。“石墨烯是不同的。”
利用石墨烯，研究人员设想从大型晶圆上冲压出电路，就像他们已经使用硅那样。但是，事实证明，完善这些晶圆具有挑战性。盖姆说，另一个长期的“如果”是石墨烯是否可以被切割成实际可以工作的小块。但研究人员才刚刚开始学习。“严格来说，二维材料在 2004 年之前并不存在，”他说。
怨恨将概念变为现实
作为一个概念，石墨烯并不新鲜。一块石墨只是一叠松散地粘在一起的石墨烯层，就像一副扑克牌。这就是为什么用铅笔在纸上划一下会留下痕迹；这些层会成块脱落并卡在纸纤维中。研究人员一直将纳米管视为卷起的石墨烯片。
但是，大多数人认为隔离单层原始层是不可能的。他们认为，如果从相邻层剥离下来的应力没有将其撕裂，它自身的热量也会像篝火上的报纸一样将其压皱。
尽管如此，有些人还是愿意尝试。哥伦比亚大学的物理学家菲利普·金在 2002 年开始尝试通过用原子力显微镜拖动微小的石墨棒来剥离石墨烯层，原子力显微镜就像一种极其灵敏的唱机针。 2003 年，佐治亚理工学院的德·希尔获得了芯片制造商英特尔的资助，从硅和碳的混合物中烹制石墨烯。
然后盖姆出现了。盖姆是受壁虎启发而发明的粘合剂的创造者，该粘合剂在四年前成为头条新闻，盖姆是一位喜欢每隔几年尝试全新事物的研究人员。 他嫉妒纳米管多年来受到的所有关注——“这是一个美丽的系统，”他说——他于 2002 年秋季开始寻找石墨烯。“怨恨是物理学家非常重要的动力，”他面无表情地说。
研究人员知道如何通过用透明胶带剥离厚层来暴露石墨块的完美表面。 盖姆决定将该方法推向极限。
他很快就获得了 10 个原子厚的层。“然后你总是问自己一个问题，”他说：“让我们试试九个。” 在 2004 年的《自然》杂志上，他和他的同事报告了成功。他们将单层石墨烯放在硅上，将电极连接到石墨烯，并测量了施加不同电压时它所携带的电荷量。
“那当然是一件大事，”金笑着说，他曾打赌使用针头拖动的方法。“我们意识到我们完全被抢先了。”
无质量的电子吸引大众
盖姆说，很少有团队注意到，即使他的团队展示了如何使用相当于铅笔的东西制作石墨烯层。
直到第二年晚些时候，当他和金独立证实了可追溯到 20 世纪 40 年代的预测时，该领域才真正起飞。他们对石墨烯施加磁场，并观察到其电阻（电流的阻力）以称为量子霍尔效应的阶梯式模式增加。该效应有两种类型，都获得了诺贝尔奖。他们观察到，石墨烯支持第三种。
研究人员震惊了。加利福尼亚大学欧文分校的纳米研究员菲利普·柯林斯说，这就像有人将一块沥青纸贴在打开的电话簿上，然后撕掉了一页。“你可能会认为这页纸是垃圾，”他说，但是相反，“你仍然可以从中获得电话号码。” 金的实验室的研究员、也是其中一员的帕勃罗·贾里洛-埃雷罗说，研究纳米管和量子霍尔效应的人都涌向了石墨烯。
波士顿大学的材料理论家、预测了新的量子霍尔效应的人之一的安东尼奥·卡斯特罗·内托说，甚至粒子物理学家也感到兴奋。石墨烯能力的关键，包括其高导电性，来自于粒子物理学家非常熟悉的东西。大多数粒子，包括电子，都具有质量。像台球一样，它们在受到某种推动力（例如球杆）的能量提升之前不会移动。它们获得的能量越多，飞行速度就越快。
相比之下，光子是光粒子，它们没有质量，并以恒定速度（光速）不停地移动。盖姆和金证实的是，石墨烯的电子实际上失去了质量。无论它们携带多少能量，它们都以光速的四百分之一的速度飞驰。
为了描述在加速器或其他地方产生的、以接近光速运动的粒子，物理学家必须引入狭义相对论，即爱因斯坦的运动理论。石墨烯也是如此。
纳米管也具有这种特性；它们实际上比石墨烯的导电性更好，因为它们迫使电子沿直线飞驰。然而，金说，石墨烯的平坦性使其相对论行为更加明显，更易于探测。
超强还是被过度炒作？
盖姆说，石墨烯的无质量电子的一个结果是，如果它包含许多电子、少量电子或只有一个电子，它也能同样好地导电。电子通常会弹开周围的污染物，从而减慢或阻止它们的速度。例如，当通过硅时，它们平均会在散射前移动 10 纳米。
但是，石墨烯的电子在某种意义上会扩展到覆盖大片区域，有效地像巨型卡车的轮胎在坑洼上行驶一样跨过杂质。结果，它们的行驶距离是硅的 100 倍，接近 1 微米。
“它的导电性如此之高，”盖姆说，“立即想到的第一个想法，也是目前的想法，都是将其应用于电子产品。”
能够以最低成本取代硅的材料最终将统治市场，但金说，在几十个原子的尺度上，石墨烯的性能可能与硅一样好，甚至更好。
当然，在将纳米级电路冲压到飞盘大小的石墨烯晶圆上的愿景中，存在一些潜在的障碍。加利福尼亚大学欧文分校的柯林斯说，石墨烯已经被“荒谬地”炒作了。他说，当一种材料只有三年历史时，“将其与硅之类的东西进行比较有点困难。”
一个问题是飞盘。佐治亚理工学院的德·希尔报告说，他用烹制碳化硅的方法取得了一些成功，使碳原子以一层或几层原子层的形式冒泡到顶部。但是到目前为止，他还没有观察到量子霍尔效应，这表明他的石墨烯与用胶带制成的石墨烯之间存在一些关键差异。
然后是如何在石墨烯中切换电流的挑战。硅和其他半导体传输特定能量的电子，但阻止其他能量的电子。纳米管也具有这种特性，称为带隙，但石墨烯没有。
石墨烯视野中的曙光
研究人员有一些关于如何克服这个障碍的想法。盖姆的团队在 3 月份报告说，他们通过将单层石墨烯塑造成非常狭窄的沙漏来向上和向下拨动电流。沙漏腰部中电子的存在阻止了其他电子通过——而且是在室温下进行的。
在另一种方法中，金的团队与 IBM 研究人员合作，将石墨烯切割成 10 纳米宽的带状，团队成员贾里洛-埃雷罗在美国物理学会 3 月份的会议上报告说。电子仅以特定的数量或能级携带能量，并且根据该团队的说法，限制在石墨烯带中的电子需要更大的能量才能达到下一个能级，从而产生一种带隙。
蚀刻这些小形状会带来其他问题。雕刻过程并非总是有效，尽管盖姆预计石墨烯可以搭上硅蚀刻改进的便车。它还会使石墨烯留下参差不齐的边缘，因为与切除的碳原子形成化学键的电子会像松散的线一样残留，干扰通过的电子并拉低带的电流。金说，石墨烯爱好者将不得不找到某种方法来修补磨损的末端。
“纳米管通过自身卷曲很好地解决了这个问题，”柯林斯说。“理想的情况是，如果我们……能够提出一种结合两者优势的结构。” 贾里洛-埃雷罗说，或者如果研究人员学会更精确地操作纳米管，它们将重新获得许多吸引力。
石墨烯真正走向应用至少还需要十年时间。盖姆表示，在硅达到 10 纳米制程之前，它不会有真正的竞争对手。“硅的末日之前已经被宣布了很多次，”他说。“如果你想让一辆火车停下来，那并不容易。而硅的规模比火车还要大得多。” 目前，石墨烯就像一个充满潜力的小引擎。