石墨烯是什么？它能派上用场吗？

如今，“超级材料 ”一词已被广泛提及–陶瓷超级材料、气凝胶超级材料、弹性超级材料。但是，有一种超级材料让它们黯然失色，它的发现者因此获得了诺贝尔奖，并定义了科学炒作和兴奋的上限。它有可能彻底改变处理过程、电力存储，甚至太空探索……但它尚未真正做到任何一件事。

它被称为石墨烯，是现代材料科学蓬勃发展的鼻祖。石墨烯有可能成为有史以来最具颠覆性的单项发明之一，但它到底是什么，用它制成的碳纳米管又是什么，所有这些宏伟的承诺何时才能实现？

石墨烯为何如此引人注目

科学家们谈论石墨烯已经有上百年的历史了，不过并不总是用这个名字。这个想法很容易产生：如果我们能把钻石切成只有一个原子厚的薄片呢？这将使它成为一种所谓的 “二维 ”物质，完全由碳构成，但却具有钻石所不具备的柔韧性。

石墨烯不仅具有你所期望的晶体片所具有的令人难以置信的物理特性，被广泛认为是有史以来按重量计算最坚固的材料，而且还具有令人难以置信的高导电性。石墨烯具有原子级的微小尺寸，可以让处理器中的晶体管更紧密地结合在一起，从而让许多电子产业向前迈进一大步。

研究表明，虽然钻石切片非常困难，但原子级的碳细丝实际上非常容易制成小碎片–甚至当小学生用纯碳石墨铅笔的笔尖在纸上划过时，就会产生石墨烯的微小碎片。

但是，尽管早期有人进行了勇敢的尝试，我们还是不得不等到 2004 年，才有人能够可靠地制造出足够大、足够快的石墨烯碎片，假定其有用。他们的技术核心是使用所谓的 “苏格兰胶带法”，从纯石墨样品中 “拉出 ”石墨烯链；这包括在纯碳粉末上粘贴和解开透明粘性胶带。当胶带每次松开时，都会将石墨烯拉出几个原子。这个英国团队后来获得了诺贝尔奖，因为他们发现了如何经济地制造一种物质，而在他们获奖时，这种物质在材料研究实验室之外根本无法发挥作用。

然而，激动人心的时刻还在继续。这种潜力是如此巨大，以至于仅仅是可能性就盖过了当今更具体的发明。

石墨烯 “一词有时可与 ”碳纳米管 “或 CNT 互换使用。碳纳米管听起来就像这样：石墨烯薄片被卷成纳米级的管状。管壁只有一个原子厚，但与普通的线性石墨烯相比，管子整体更稳定，与其他物质的反应也更少。不过，它在制造过程中也会遇到困难，正如我们在下文中将看到的，它甚至会对健康产生一些负面影响。

物理工程

这看似简单，但石墨烯惊人的物理强度却是其最令人兴奋的方面之一。每一缕石墨烯都具有这些特性。目前最大的问题是开发出一种方法，将这些石墨烯编织成宏观尺度的薄片、缆线等。

如果我们能制造出这些缆线，它们的承重能力将带来不可思议的可能性。编织碳纳米管电缆经常被提到的一个应用是作为太空电梯的锚缆–一条从地球表面一直延伸到低轨道的带状电缆。在我参加的会议上，科学家要求我们想象一种基于石墨烯的飞机机身，其重量只有现代飞机的十分之一，而物理强度却超过了现代飞机。这还需要一段时间，但即使是更原始的石墨烯材料也能产生巨大的影响；看看这架在机翼上使用石墨烯涂层的小型飞机就知道了。

具有讽刺意味的是，这些简单的应用可能是进展最慢的，因为它们需要大规模的石墨烯结构。下面的应用虽然大多是微观应用，但可能会更快地进入现实世界。

生物学和医学

碳纳米管最有潜在用途和潜在危险的方面之一是它们足够薄，可以穿透细胞壁。它们有可能插入研究人员选择的治疗分子，也可能扰乱 DNA 本身，造成问题，包括癌症。一篇题为《碳纳米管在癌症治疗和致癌过程中的矛盾作用》的综述论文总结了这种折磨人的状态。

石墨烯的细胞尺度特性让医学研究人员为之振奋。癌症检测是一个正在进行的主要研究领域，用于阅读和报告活动的大脑植入物也是如此。事实上，碳纳米管非常危险的特性也可用于生产；超细抗生素石墨烯滤水器可以非电子方式过滤比以往更小的污染物，还能主动杀灭病原体。

计算

在半导体和计算机处理领域，石墨烯可能的应用是最受关注的话题之一。石墨烯可以在相同的空间内容纳多几倍的晶体管，并且运行时产生的热量要少得多。问题在于，半导体需要一种名为 “带隙 ”的特性来产生开和关两种状态，而石墨烯本身缺乏这种特性。ExtremeTech 多年来对带隙问题进行了广泛报道。2024 年，研究人员成功地在碳化硅基底上生长出石墨烯，并生产出可用于半导体的石墨烯。这意味着基于石墨烯的计算机芯片的最大障碍已经不复存在。

将石墨烯用于存储半导体还存在一些问题，主要是由于制造困难，但最近的研究仍然表明，其潜力巨大，值得兴奋。

电子与能源

最近的一项研究发现了一种三维打印石墨烯 “墨水 ”的方法，可以打印出任何想要的三维结构，包括小尺寸细节。这样就能利用石墨烯极低的电子电阻制造出高效的电子系统，从而实现大量的电子应用。

限制石墨烯在处理器中应用的带隙问题，同样也限制了石墨烯迅速革新太阳能–石墨烯也有这样的潜力。完全有机（碳基）的太阳能电池确实存在。但目前，石墨烯正被用于提高单层硅碳混合技术的效率。这大致代表了一种趋势，即在取代整个设备之前，石墨烯将取代效率低下的部件。

不过，一项研究确实发现，在现有的有机太阳能电池中加入石墨烯元素，可将效率从不足1%提高到约14%。从某种程度上说，这使得石墨烯至少在理论上能够取代现有的硅基太阳能电池板，而且成本预计更低，所需的稀有元素也更少（有可能不需要）。如果做更多的工作，几乎可以肯定，它们在效率方面可以超越硅基太阳能电池板。

超薄革命

像石墨烯这样的全新事物总是会引发人们的兴趣，而不仅仅局限于纯粹的工程师，乃至纯粹的科学。最近的一项研究利用石墨烯独特的电子特性观测到了一种全新的量子态，通过石墨烯推动了基础科学的发展。

如果石墨烯能够发挥其十分之一的潜力，无疑将改变世界。在 ExtremeTech，我们已经追踪石墨烯的发展潜力十多年了–而且很有可能，我们还将继续追踪十多年。