石墨烯，一种超出人类认知的极端物质

文/胡子昂

本文系作者授权“清南”发布

石墨烯（graphene），这是一种很极端的材料，而且人类一直在进行研究，挖掘还没有发现的潜能。为什么说他极端，因为他有太多太变态的性质，以至于你很难想象这些性质集中在一种材料上。譬如这个世界上总有人能够拿诺贝尔奖，也有人能成为奥运冠军。但如果有人同时获得诺贝尔奖，同时还是奥运会冠军，同时还比马云有钱，你还觉得这个人是人吗？
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同样的道理，石墨烯集中了许多变态材料才应该有的性质。变态到他可以在十几种（几十种？可能更多我不知道）性质上排到已知材料的第一名。我第一次仔细接触这种材料，是在大一的一个期末作业中，当时对于物理的认识还非常肤浅，但也冥冥知道如果一种材料的能隙为0会是多么可怕的事情，简单而言就是电子在石墨烯中的一些部分（狄拉克点附近）等效质量为零，导致薛定谔方程的哈密顿形式不再是熟悉的样子，要采取狄拉克型的方程来进行描述。此时电子的哈密顿形式会变得很复杂。
https://www.zhihu.com/equation?tex=-iv_F/sigma/cdot+/nabla+/psi+=E+/psi
https://pic3.zhimg.com/v2-4cc47c7f41aa40a1a31cc1b6b75b5072_b.png 因此，他有许许多多由此而产生的不可思议的性质。
从我们生活中用到的一些物理性质来看，石墨烯已经变态到极致了。譬如说石墨烯是世界上强度最高的材料。如果把石墨烯叠到保鲜膜那么厚，那么需要一头大象在踩在一支铅笔上产生的压强才能将其刺破。https://pic1.zhimg.com/v2-e9e27fe33058c18db76df592e2b9c9fc_b.jpg

透光性
石墨烯在光学上的透光性是97.7%，而且没有反射光。但也有相关文章表明，不同结构的石墨烯可以得到不一样的透光性，包括强烈吸收光线的石墨烯。
导热性
世界上导热性最好的金属为银，它的导热性https://www.zhihu.com/equation?tex=4kW/K/cdot+m，为银的10倍。
导电速度
电子元件的一个很重要的性质就是电子的扩散导电速度，石墨烯这项性质上比硅强250倍。并且电子的平均自由程是https://www.zhihu.com/equation?tex=2/mu+m。相比而言石墨烯一个单元的尺度a=1.42埃，也就是0.142nm，二者相差了4个数量级。也就是一个电子平均要跑过10000个六边形单元，才会与另一个声子或者电子发生碰撞。
面密度
由于石墨烯只有一层原子，所以面密度达到了惊人的，也就是覆盖整个足球场所需要的石墨烯仅仅3g。
此外石墨烯由于纯粹碳制，有很好的生物相容性，因此可以制作很多很多的人造器官，如关节等等。

石墨烯的制取也是非常的有趣，是的用胶带。这枚诺贝尔奖也被称之为用胶带的得到的诺贝尔奖。值得一提的是，石墨烯是在二战科技大爆发之后，被授予诺贝尔奖的一种材料(另一种是96年的富勒烯），可见这种材料的前途。
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（图片来自：Futurism）
大规模生产石墨烯一般使用气相沉淀法，但是这种生产出来的石墨烯产量并不高。如何在工业上量产石墨烯以及如何更好地利用石墨烯的性质一直是研究的热点。
由于这种种的性质，石墨烯现在被认为是制作电池和电子元件的新型材料。这些东西在知乎上有很多的相关问题，大家可以搜一搜。

而最近，石墨烯又被发现可能具有超导性。2014年有巴西科学家宣称在矿山内发现了可以在常温下超导的nano级别石墨颗粒，由于石墨烯的性质，也有人相信石墨烯具有很好的高温超导性质。在1月19号，有意大利科学家发现石墨烯在耦合在PCCO（一种铜酸盐超导材料）上时，实现了p波超导。随着研究的深入，石墨烯许多电学性质会得到更广泛的发现与应用。

在应用上，人们往往并不满足于原来的结构。石墨烯的结构有许多的变种，这些变种也会有一些性质上的差异。而我们往往也是运用这些性质进行研究。
参考文献:
[1] Graphene - Wikipedia
[2]石墨烯沉睡的超导性能被唤醒
[3]Neto, A. H Castro, et al. "The electronic properties of graphene."  Reviews of Modern Physics 81.1 (2009): 109-162.

来源邀稿：胡子昂

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https://www.zhihu.com/question/55479632/answer/144904688