最薄又最硬！“黑金”石墨烯到底是什么？

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石墨烯（Graphene）来自英文石墨的词根graphit加上烯类的结尾-ene。

高中化学告诉我们，天然石墨是由一层层蜂窝状平面碳原子堆叠而成的碳元素单质。由于层间作用力很小，石墨很容易剥离成薄片，当把石墨剥离到只有一个碳原子的厚度时就被称为石墨烯。

图1 石墨烯及相关材料微观结构图（来源：中国知网）

石墨烯是目前已知最薄同时也最坚硬的材料，厚度只有0.335纳米，20万片石墨烯叠加起来也只有一根头发的厚度。由于剥离到只有一个碳原子非常困难，因此业界普遍把由不多于10层碳片紧密堆积而成的结构统称为石墨烯。

长期以来，石墨烯一直被认为是一种假设结构，无法单独稳定存在，直到2004年英国物理学家海姆和诺沃肖洛夫在实验中用“微机械剥离法”分离出石墨烯才最终证实了它的存在。

值得一提的是，这项发现虽然意义非凡，但所采用的方法却极为简单。上述两位科学家利用透明胶带黏住石墨，把有黏性的一面对折然后再撕开，这样石墨薄片就被一分为二。不断重复这个过程，石墨片就会变得越来越薄，直到得到只剩一层碳原子的二维晶体材料——石墨烯。而这目前仍是石墨烯制备的一种可选方法。

两位科学家凭借以开创性方法制备出了石墨烯而分享了2010年的诺贝尔物理学奖。

由于在电、热、光等领域的卓越性能，石墨烯也被工业界称为“新材料之王”。

首先，导电性极佳。电子在石墨烯中运动速度极快，达到光速的1/300，远超过一般导体；同时它的电阻率只有10-6欧姆/公分，比铜和银更低，是目前发现电阻率最小、导电性最佳的物质。

其次，硬度极高。石墨烯比碳的另一种单质金刚石还坚硬，强度比钢高100倍，是目前已知强度最高的物质。用石墨烯制成的100纳米的厚薄膜可以承受大约2吨重物体的压力。

第三，透光性、导热性以及韧性非常好。其透光率达到97.4%，几乎完全透明；导热系数比铜大10倍，比铝大25倍；柔韧性比常用的材料氧化铟锡好，不易损毁。

第四，具有高传导性、高比表面积。用于电极材料的石墨烯上特殊的中孔结构可使电解液离子快速移动至石墨烯表面，并利用比面积储存电荷，大幅提升超级电容、锂电池等新能源的性能和使用效率。

在下游应用中，石墨烯原材料可以分为粉体和薄膜两种形态。其中，石墨烯粉体可在锂电池中作为正负极材料的导电添加剂，提高充放电速度、循环性能等；石墨烯作为超级电容的电极材料，可提升储能活性和循环性能；应用在特种涂料领域，石墨烯粉体可作为添加剂掺杂在防腐涂料、散热涂层、导电涂层等材料中，改善涂料性能；石墨烯粉体还可作为能源化工领域的高效催化剂。

石墨烯薄膜可凭借其优异的导热性能，用于智能手机、平板电脑等电子设备的散热层导热膜上；利用石墨烯导电、透光以及高度柔的特性，可以制作柔性显示屏、可穿戴设备；石墨烯巨大的比表面积以及优异的电子传输性能，可广泛应用于传感器领域；此外，石墨烯对硅的替代有望带来半导体领域的革命，成为下一代集成电路、超级计算机的基础材料。

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