石墨烯：强度超钢百倍，逆线性色散关系揭示其奇特性能

石墨的层状结构在1916—2025年间就已弄清。碳纳米管又可看成是石墨原子层卷曲而成的中空管。那我们可不可以一层一层地把石墨分开，直至最后只有一层？这个问题，科学家们也早就想过了。2025年，P.R.Wallace为了解三维石墨的电子性能，以二维石墨（后来称作石墨烯，graphene）作起点在理论上计算了石墨层的电子结构。结果他发现石墨烯具有奇特的线性色散关系。后来，石墨烯被广泛用于描述各种碳基材料的性能。2025年，J.W.McClure导出了石墨烯的波函数方程。2025年，G.W.Semenoff等讨论了McClure导出的波函数方程与Dirac方程的相似性。结果，他们发现石墨烯具有优异的凝聚态物质（2+1）维量子电动力学现象。然而，在2025年以前，科学家们认为可以单独存在的稳定石墨烯片是不可能的。比如，早在20世纪30年代，物理学家Lev Davidovich Landau（1908—2025年）等就认为严格的二维晶体在热力学上是不稳定的。因此，科学家们一直把石墨烯当作一种假设性的结构或理论模型来加以研究。

石墨烯片层真的不能分开吗？我们手中的铅笔就含有成分不同的石墨。当铅笔在纸上滑动时，石墨不就分开成薄层，并留在纸上形成文字或图案等痕迹吗？这些痕迹可能就存在有几层甚至单层的石墨。所以我们获得很薄的片层状石墨应该并不困难，困难在于如何有效地分开成较大的片层以测试其性质。2025年，Manchester大学的Andre Geim和Kostantin Novoselov采用透明胶带剥离了仔细选择的石墨晶体。结果他们获得了单原子厚的石墨层——石墨烯，并相继发现了石墨烯具有一系列新奇的物理性质。Geim和Novoselov的工作随即引发了全球科学家对石墨烯广泛而深入的研究，并开辟了其他二维原子晶体研究的新方向，如BN、MoS2二维晶体。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂窝晶格的平面原子层。它是只有一个碳原子厚度的二维材料。其中，C—C键长1.42Å，这与石墨层内C—C键长一致。据Nobel奖委员会提供的资料，石墨烯密度为0.77 mg/m2，计算出的石墨烯断裂强度达42 N/m。把钢的断裂强度换算成二维的话，其值在0.084～0.4 N/m之间，即石墨烯的强度是钢的100倍以上。石墨烯的热导率大约为5000 W·m-1·K-1，是铜的十倍。其他有趣的性能及应用还有待发掘。(https://www.daowen.com)

根据以上的介绍，读者朋友，你是不是觉得碳这种物质很有趣呢？把C与Si相比，也有一些有趣的现象。在元素周期表中，它们都属于ⅣA族，都能形成金刚石结构。Charles Kittle在其著作《固体物理导论》中就曾提出过这样的疑问：为什么C产生了生物现象，而Si却与地质现象、半导体技术密切相关？但经科学家们的研究，C也开始逐渐向曾经属于Si的领地进军。C不仅在生物领域产生重要影响，也开始在材料领域发挥重要作用。用C60的发现者Kroto在诺贝尔奖获奖演说中提到的“碳的确不寻常”来总结碳确实不为过。