石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里，它被媒体鼓吹为“新材料之王”，这是言过其实？还是确有其事？看上去，这种“新材料”与我们的距离非常遥远。而实际上，它早已出现在生活之中，只是没被察觉罢了。比如石墨烯口罩已经面世，而且其防雾霾效果远远优于市面上的口罩。


今天我要讲的一种材料叫石墨烯，它是一种纳米材料，很小。它有很多优异的性能，那么一个材料优质的性能从哪里来？大家想过这个问题吗？第一，从它是什么元素，第二，这些元素是怎么排列的。

同样是碳，为什么钻石、石墨、二氧化碳的价值差距这么大？

比如钻石和石墨两种材料，他们都是由碳构成的，但是这种两种材料在我们日常生活中价值似乎完全不同。

钻石颜值很高，价格很贵，它透明、坚硬、绝缘。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松软的、导电的，两种材料完全相反，然而它们都是实实在在由碳组成的材料。

如果我说一位女士你带的0.2克的这块碳是从哪里买的？你肯定感到不高兴，“我这是钻石”。然而这些钻石也好，石墨也好，和我们呼出的二氧化碳里面的碳都是一样的。好比说，今天你大概呼出了2000多克拉的碳，那么你就觉得这个呼吸好值钱。

结构不一样造成了性质的不一样，我们可以看到，在图中钻石是一个三维结构，而石墨在二维层面有一个很强的化学键连接，在层和层之间是一种很弱的化学键，叫范德华力[1]的连接，这就造成了它们性质的巨大的不同。

我们今天要谈的是个纳米碳材料，那我们就看看在纳米的结构里面，材料的结构对材料的性质究竟会造成什么样的影响。

为什么〇维碳获得了诺奖，而一维碳却失之交臂？

第一，〇维碳，也叫碳60。我们看到它是笼子状的结构，它是一种五边形和六边形拼凑起来的，跟足球非常像，所以它有一个另外的名字叫“足球烯”。如果我们在足球的每一个拼凑的键点上放一个原子，我们就完全相同地制造了一个碳60的这样的一个分子结构。

这个分子是在1986年被两位美国科学家和一位英国科学家发现的，并由此获得诺贝尔化学奖。富勒烯[2]的发现加深了我们对宇宙中含碳分子的认识、碳的演化的认识，以及对芳香族[3]物质的理解。

一维碳材料——碳纳米管，我们可以看到它是一个管子状的结构，它的直径大约在一纳米上下。这个材料是由日本NEC的科学家饭岛澄男发现的。

1991年，当时由于透射电镜的技术的发展，他可以很清楚地看到这样的一个管式结构。这个碳管在我们做纳米材料的领域中非常重要，因为他使纳米材料进入了普通人的视野，而他在科学界也掀起了纳米材料的高潮。

纳米管有很多奇异的性质，我们似乎觉得碳60获了诺奖，碳管是不是也应该获得诺奖呢？但他并没有，当然诺奖的委员会有不同的考虑，但是有一个原因可能让大家对它有点忧虑。

饭岛澄男发现了碳管的时候，有许多人跳出来说，我早就发现了，我冤枉。也有好多团队这样跳出来，最著名的应该是前苏联的科学家，在1952年的时候他们就看见了纳米碳管的影子。

但由于当时他们是用俄语写的论文，不能被世界其他地方人读到，而且当时的苏联跟其他国家的交往也没有那么多，他们就错过了把这个科研成果公之于众的机会。大家为此争论不休的时候，科学家忽然在久远的大马士革钢刀里面发现了碳纳米管，当时的这个技术已经失传了。

大马士革钢刀存在于公元三世纪到十七世纪，现在我们又找回了这项技术，在那里我们也发现了碳纳米管，而且碳纳米管在里面是有一个增强和增韧的作用的。大马士革刀非常锋利，我找到的英文资料是这样形容它的，一根头发落在大马士革钢刀上面会被削成两半，如果用大马士革钢刀去削一个步枪的枪管可以把它削断。这跟我们中文形容刀快不是一样的吗？吹毛断发，削铁如泥。

碳纳米管为什么会出现在大马士革钢刀里面呢？这个并不难理解，是因为我们在炼铁炼钢的过程中有碳的存在，它就提供了碳源，同时有铁的存在，铁是一种催化剂，在今天讲碳管的时候，还要大量地使用铁。所以那个时候，在一定的工艺条件下生产出的大马士革钢刀里面有碳纳米管就不奇怪了。

用透明胶带分离出石墨烯

下面进入我们的主题二维材料，一提到二维，我相信有很多大刘（刘慈欣）的粉丝想到三体里面讲的二向箔，是一个维度打击武器，可以让一个三维世界在上面坍塌，有无穷的力量。

我们钦佩大刘的丰富的想象力。但是我们也知道，想象力一定是基于一些现实的基础，好比说我们想到了一个长着翅膀、会飞的熊，是因为我们见过一只熊和翅膀，我们把它放在一起就出现了新的创意。

我也在想，大刘是不是受到了二维材料石墨烯的启示，想到这样一种结构。石墨烯的结构就是一个单层的石墨，石墨我们大家非常熟悉，然而这个石墨烯是不是也像石墨那么普通？实际上不是的，石墨烯从石墨里面是分离出来的，我们承认这一点。然而石墨烯给我们打开了一个广阔的视野，告诉我们材料可以是以二维形式存在的。

作为一个材料科学家，我们受过的教育一直是二维材料这样一层原子组成的结构，在热力学上是不稳定的，它会坍塌。就仿佛说有一张纸有两个足球场那么大，它自己无法支撑自己，除非放在什么上面才行。

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家Dr。 Geim和Novoselov，他们两个人在石墨里面分离出了石墨烯，给我们开阔了一个新的视野，以此为发端，至今为止，我们找到了上千种二维材料。

他们拿了一个胶带，然后拿一块石墨这样反复粘。因为它是层状结构，一层一层被分开，最终会找到一些单层的结构，然后把它转移到一个基底上面去，就可以研究它了。

“黑金”石墨烯有多强？

1、力学性质

石墨烯的力学性质非常之强，它的力学拉伸强度达到130GPa，相当于钢铁的一百倍。理论计算得到，如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米，它都能够撑起一只大象的重量。它这么强的力学性能从何而来？就像我们开始讲的——结构决定了性质。

它是一个二维结构，碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居，这三个邻居形成的碳的键非常短，非常强，支撑了石墨烯的高强的力学性质。

2、电学性质

它的电学性质很值得一提，它的电子迁移率可以达到200，000cm^2/Vs，是硅的一百倍。

什么是电子迁移率呢？就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定，一个是电子在里面跑多快，第二是有多少电子在里面跑。

大家可以想象一下高速公路，这条公路上限速是多少，车可以跑多快，以有多少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中，很多的时候我们希望有一个高运力，这样的话能加速器件的运算速度。

第二，它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线，比如说金属线铜线，我们通电流，如果电压增加，电流增加到一定程度，电流会把铜丝烧断。

但是石墨烯抗烧断的能力非常之高，它可以达到铜的100万倍！如果我们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现，在双层石墨烯里面，如果转动一个角度，它会有一些超导现象出现。

但在电学性能中它有一项不足，就是它的零能带隙，能带[4]是关系到一个半导体的存在的。如果这个能带合适，这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带，它就不是半导体，它是个金属性质，那么做电子器件还是有一定的困难。科学家们正在克服这些零能带造成的问题。

3、致密与大比表面积

它石墨烯是一个很致密的材料，由于它的键很短，就是原子和原子之间的距离很近，只有0.142nm。也就是说，包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种很好的阻隔材料，比表面积可以达到2630m^2/g，就是说它的面积非常大。

我们看中间这张图，就是用石墨烯组成了一个泡沫状的结构，它可以自己把自己支撑起来，但非常非常的轻。我们把它放在一个狗尾草上面，狗尾草看上去没有任何的结构上的变化。

我们可以用这些石墨烯来做一些过滤的材料，在上面开一些我们能控制尺寸的小洞，就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离，空气中的氧气跟氮气的分离。

4、光和热的性质

石墨烯的光的性质，因为只有一种碳源，只有一层碳原子，它的透光率可以达到97.7%，也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。

这个是大还是小呢？实际上是一个很强的光吸收，大约50层石墨烯我们就可以把光完全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以，我们只用它其中的一层就够了，这就使得它有很多可用的地方。

石墨烯的导热性质非常好，目前有两种主要的导热方式。一种叫电子导热，就是一个材料如果它导电非常好的话，它的导热往往也很好，比如说铜和铝。

但是还有一种材料，它的导热是不需要寄托于导电上的，它是靠声子导热的，就是说声波的传播速度，在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s，所以它具有非常好的导热效果。 

原标题：石墨烯口罩可防霾？新材料之王的石墨烯是否名副其实