材料百态

最近，剑桥大学的研究人员使用石墨烯制造一种新型硬盘。由于石墨烯极薄的特性，新型硬盘的存储量可达现在最先进硬盘的10倍，标志着更大容量硬盘时代的到来。

图为工作人员在北京科技周活动主场室内主题展区展示石墨烯发热坐垫。

新华社记者 任超 摄

迄今为止，人类社会已经历经了三次工业革命。第一次工业革命是18世纪60年代到19世纪中的蒸汽时代。之前，人类活动都是依靠人力，但人的力量是有限的。在蒸汽机出现以后，人类的生产力得到了解放，从农业时代进入到了工业时代。第二次工业革命是19世纪下半叶到20世纪初的电气时代，随着电力的广泛使用，并且开始使用第二种化石能源——石油，人类进入现代化社会。第三次工业革命是从20世纪四五十年代直到今天，随着第一台二进制计算机的问世，人类进入了信息时代。

目前，科技界普遍认为，人类已进入第四次工业革命的初期，量子科技、人工智能、基因工程、新材料、新能源等是核心的基础科技。

我之前在专栏中简单科普了量子科技、人工智能等，接下来再介绍新材料，先从堪称能改变世界格局的21世纪的“新材料之王”——石墨烯（Graphene）谈起。

什么是石墨烯？

简而言之，石墨烯是碳的一种存在形式，它与铅笔芯、金刚石（也就是钻石）等为同素异形体，由同样的单一化学元素组成，区别只是它们的碳原子之间的结构不同，因排列方式不同而具有不同性质。

就拿钻石来说，其碳12原子的结构特征是每个碳原子都有4个共价键，原子间结构牢固，组成具有4个角相等的正四面体，形成一个钻石晶胞，然后无数个钻石晶胞聚在一起形成了钻石。

那么，什么是石墨呢？石墨不是立体结构，是一层一层的，每一层由无数个6个碳原子形成的环连在一起，而无数层摞起来就是石墨。

不过，层与层之间没有化学键，靠的是分子的范德华力（指分子或原子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力）结合，而范德华力和化学键相比，结实程度相差太远，好似手纸一般，层与层之间非常松软，而且还可以相互滑动，因此，石墨具有润滑性。

以前，石墨烯被认为是假设性结构，无法单独稳定存在，直至2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

其实，他们没有使用任何高科技手段，而是“纯手工”用透明胶带来切割石墨，将石墨烯“撕”出来的。不过，这听着简单，却包含了一个数学原理，就是不管多厚，哪怕有几万层，只要每次一分为二，再一分为二，循环往复，分15次就能达到目的。

石墨烯可以用在哪儿？

显然，石墨烯是目前世上最薄的纳米材料，一层的厚度只有0.355纳米，三层一块儿才一个多纳米，是几乎完全透明的，只吸收2.3%的光，好似二维结构；又是目前最坚硬的纳米材料，重量极轻，强度却是钢的300倍！同时还是目前电阻率最小的材料，以及拉伸性好、导热性和散热性最强。

由于石墨烯的电子移动速度极快，又轻又薄又结实，机械强度特别高，再加上它是透明、电阻率极低、良好的导体，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件，甚至芯片；也适合用来制造透明触控（可折叠的）屏幕或光板，甚至太阳能电池；并可用来做汽车或航空材料；在军事上的用途更广，比如防弹衣、航母弹射器管道中的润滑层。

而在科幻作品中，大家可能听说过太空电梯。现在人类上太空需要发射运载火箭，载人舱与空间站对接，又费钱又费时，相当危险。于是，在科幻影视里，人类会搭建一部电梯，直接连接到太空站，去太空旅游的话，只要进到这个电梯，按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯，因其又轻又坚固，这个科幻构想也许将成为现实！

（作者系加拿大某国际财团风险管理资深顾问，科幻作家）

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