石墨烯之最（石墨烯:改变世界的神奇材料）

石墨烯经常出现在各种最前沿的科技产品上，也经常在一些科技文章上被提及，它被认为是21世纪最有潜力的科技材料。但是如果告诉你，它的成分和日常使用的铅笔主要成分一样，你是不是一定不敢相信。

铅笔的主要成分就是石墨，之所以被称为铅笔是因为石墨又被称为黑铅，那么石墨烯与石墨有什么区别呢？答案是没有区别，他们都是主要由碳原子组成的物质，碳元素也是地球上组成各种物质最常见的元素，这么说来石墨烯并没有什么神奇之处，那么它的强度能够是钢铁的200倍，重量却能比纸还轻薄，是纸的1000分之一，这样神奇的特性又是怎么做到的的？

其实石墨烯的神奇力量并不来源于元素本身，之所以会有这样的超能力是其结构决定的。人类在研究石墨的时候发现，其组成是以一层一层的单层原子结构堆叠而成的。所以石墨本身的结构并不牢固，日常在使用铅笔时，用力过猛就会断铅就是这个原因。

不过如果单看其中一层原子结构，就会发现其又非常稳固，每一层的碳原子都呈现蜂窝状的六边形排布方式，每一个碳原子都与周边三个碳原子链接在一起，所以形成了非常稳固的结构，不仅强度高而且可延展性非常好。

这些组成石墨的单层碳原子结构就是石墨烯，可是从石墨中分离出石墨烯却并不是一件容易的事情。每一层的石墨烯之间都是由一种电性的吸引力结合在一起，层与层之间的距离在340皮米，1皮米相当于10亿分之一毫米，1毫米厚度的石墨中就有300多万层的石墨烯，想要分离出来非常困难。

但是最早分离出石墨烯的科学家，用了一个看似简单却又非常巧妙的方法，用胶带粘出的单层石墨烯，还因此获得了诺贝尔奖。

神奇的石墨烯竟然是用胶带粘出来的，那制备石墨烯还有哪些方法，它究竟还有哪些神奇的特性呢？

由于石墨烯的高强度且质量轻，以及高延展性的特征，使科学家对其产生了很高的兴趣，毕竟人类从石器时代开始就不断寻求新的材料，从青铜到铁器再到钛合金等材料，每一次的材料升级也伴随着人类文明的进步，不过材料的获取方式也更加的困难。

而石墨烯的最早获取方式，是在2004由两位英国科学家通过一种特殊的胶带粘连出来的，他们将一块石墨片两面都粘有这种胶带，然后一分为二，之后不断重复以上操作。直至获得最薄的一层石墨原子结构，也就是石墨烯。他们也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖，但是这样的方法只适合实验室研究，于是后来又出现了机械剥离法和氧化还原法以及气相沉积法等多种方法，一时间石墨烯成为了红极一时的新材料。

在了解了石墨的结构和制备方法之后，就非常好理解石墨烯比纸还轻1000倍的原因了，因为它就是一层单原子结构，纸张再薄也不可能比原子还薄。而石墨烯的硬度比钢铁强200倍也是指在单位重量一样的情况下，就目前来看对石墨烯在强度方面的应用很少。

石墨烯被主要利用的特性为导电性，透光性和延展性。导电性非常好理解，石墨本身就具有导电性，也被广泛地运用在电池和电极当中，而石墨烯的导电性更好，这和其碳原子与电子的键合方式有关，每个碳原子外围有4个电子，其中3个与其他碳原子共享，另外1个则可以自由移动，所以在导电时可以更快。石墨烯也是目前常温条件下导电速度最快的材料，超导材料虽然导电性能更好，但是需要在超低温的条件下，在应用上没有石墨烯方便可行。

别看石墨是黑乎乎的一块，制成的石墨烯粉末也大多呈现黑色，但石墨烯的透光性却能达到98%，加上石墨烯的高延展性，在原材料基础上再拉伸25%的程度，以及弯曲都不会损坏石墨烯的结构。

石墨烯拥有优良的导电性和透光以及延展性，那在实际当中有哪些运用，是否会成为人类社会未来最重要的材料？

石墨烯目前运用最广泛也是最成熟的产业，便是新能源电池领域。如今新能源电动汽车的发展方兴未艾，电池是电动汽车最重要的动力来源。目前大量使用的是锂电池，虽然能够基本满足汽车的驱动，但是充电时间长电量流失快。石墨烯电池将能够实现比锂电池快5倍的充电速度，以及3倍以上的使用寿命，而且石墨烯在放电的过程中不会产生大量的热量，对于电量的消耗也就更小。

目前已经有厂商在不断地往新能源电池中加入石墨烯，只是其所占比例还不多，完全应用石墨烯电池还需要一定的时间。据说三星等企业在研制手机等电子产品的石墨烯电池，在不远的将来我们可能不会因为手机电量不足和发热而烦恼。

除了在电池方面的应用，石墨烯的透光性达到98%，而一般的玻璃只有80%-90%，可以用于相机镜头以及手机和摄像头，还有卫星遥感设备的感光元器件，加上其优良的弯曲延展性，在柔性屏幕的应用上具前瞻性，可用于发展穿戴式的电子设备。

不过在实验室以外的商业运用的领域，石墨烯都是少层或多层的形式出现，毕竟单层的石墨烯作为原子层的厚度想要实际应用非常困难。除此之外在航空航天领域，以及材料基础研究等方面，石墨烯都具有重要的意义。

由于石墨烯盛名在外，也延伸出许多石墨烯的奇葩用法，例如被宣传具有保健效果被加入在一些保健内衣当中，不过石墨烯的特性主要是由其结构决定的，其物质属性本身并没有什么特殊效果，所以把石墨烯穿在身上和在身上绑一支铅笔没有什么区别。

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