石墨
在說石墨烯之前，我們先來看看這隻鉛筆。
鉛筆的頭上是什麼？是鉛筆芯？不，那是石墨！
這裡要說下，石墨是元素碳的一種同素異形體。
有同學會問了，啥叫同素異形體？
我們知道自然界的物質都是由不同的元素構成的。有些物質雖然它們是由相同的元素構成的，但是它們表現就很不一樣，原因是因為分子結構的不同。
比如氧氣和臭氧就是同素異形體，氧氣是兩個氧原子構成的，而臭氧是三個氧原子構成的。
回到鉛筆這裡，石墨和碳也是這樣。石墨是每個碳原子的周邊連接著另外三個碳原子，排列方式呈蜂窩式的多個六邊形，以共價鍵結合，構成共價分子。
石墨烯
那石墨烯又是什麼？它是一種由碳原子組成的二維碳納米材料。
石墨烯有三個世界之最：薄、輕、強
這裡可以拿頭髮絲打個比喻：
雖然它的厚度是頭髮絲的20萬分之一，可是它的強度比最好的鋼材還要高200倍
同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%，如果用一塊1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，但是可以承受一隻小貓。
石墨和石墨烯有啥區別呢？
石墨烯是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，通俗的講就是切薄了的石墨。
實際上石墨烯本來就存在於自然界，只是難以剝離出單層結構，石墨烯一層層疊起來就是石墨。厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。比如鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕跡可能是幾層石墨烯。
在被提取出來之前，石墨烯一直被認為是假設性結構。不過，2004年，英國曼徹斯特大學物理學家，安德烈·蓋姆 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功的從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在。
他們用的是最聰明的方法，當然也是最笨的辦法，就是用一種特殊的膠帶不停的粘撕石墨的表面。最後，經過無數次的嘗試，才提取出人類歷史上第一片石墨烯。兩人因此也共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
當然，現階段已經出現了很多種提取石墨烯的方法了，比如機器剝離法、氧化還原法、外延法，這樣一來就大大節省了石墨烯生產的成本問題。
應用場景
石墨烯目前最潛力的應用就是成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機。
我們知道電子晶片的基礎材料是矽，然而隨著晶片上元器件越來越密集，最高端的晶片上，兩個元器件之間的距離已經不到10納米，幾乎已經到了矽材料的極限了。
如果想要繼續提高性能，該如何實現呢？
目前中國的科研人員已經開始嘗試用石墨烯來製造部分元器件，來代替矽的作用。由它製造出來的元器件，理論上它的處理運行速度可以達到矽的十倍甚至上百倍
另外，石墨烯幾乎是完全透明的，透明率達到了97%以上，人的肉眼是幾乎看不到的。要找到它，還是要用技術手段和相應的專業儀器才可以。
石墨烯可以在各個領域大展拳腳，比如在塑料摻入百分之一的石墨烯就能使塑料具有良好的導電性，加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性提高30攝氏度。
在此基礎上，可以研究出薄、輕、拉伸性好、超強韌的新型材料，用於製造汽車、飛機和衛星。韓國已經造出了由多層石墨烯材料組成的可透明可彎曲的屏幕。
當然，新能源電池也是石墨烯最早商用的一個重大領域。
石墨烯電池利用鋰離子，在石墨烯的表面和電極之間，快速大量穿梭運動的特性。石墨烯製造出來的電池充電半分鐘，手機就能用半個月，充電半小時，就可以讓電動汽車行駛400公裡。
還有它在雷達上面的應用可以大幅提高雷達的解析度，在通訊、成像等系統也都有比較廣泛的應用。
所以科學家甚至預測石墨烯將徹底改變21世紀，極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性、新技術新產業革命。
曹原簡介
這裡順便說下中國學生曹原。
世界頂尖學術期刊英國《自然》雜誌在2018年發布了年度科學人物，位居榜首的是1996年出生、在美國麻省理工學院攻讀博士的中國學生曹原。
他在一次考察堆疊的雙層石墨烯的實驗，把雙層石墨烯其中一層相對另一層偏移極小的角度，想看看會發生什麼。於是通過微扭造成各種不同的角度，他發現在特定角度下，導電的石墨烯就變成了絕緣體。
不過後面才是重點，因為他還發現稍微調整一下電場，扭曲的雙層石墨烯還能變成一個超導體。也就是說石墨烯通過一定的角度可以產生神奇的超導效應。
儘管該系統仍需要冷卻到絕對零度以上 1.7 度，但結果表明，它可能像已知的高溫超導體一樣導電，這已讓物理學家興奮不已。
據最新的消息，今年的5月6日，曹原與其博導連發兩篇自然文章，介紹魔角石墨烯研究的新突破。最新的兩篇背靠背文章，探討用同樣的方法應用於其他二維材料體系，繼續完善 「魔角石墨烯」 相關的理論和實驗研究。
基於 「魔角石墨烯」 的一系列發現，有望在未來應用到諸如能源、電子、環境科學和計算機產業等領域。
24歲的曹原都已經發了兩篇nature，想想24歲的我。。。
石墨烯現狀
鑑於石墨烯所蘊含的無限應用潛力，世界各國都在不遺餘力推動石墨烯產業化發展。
然而現在石墨烯的產業化還處於初級階段，學術界一直對石墨烯有個共同的看法，即目前製造石墨烯的成本過高並且技術方面並不完善，若要實現工業化應用現在還存在很大的困難。
好的石墨烯很貴，在成本上毫無經濟優勢。
要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，依然需要依靠最費時費力費錢的手段——機械剝離法，即用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯離析出來。
2004年諾沃肖洛夫他們就是這麼製備出石墨烯的。儘管所需的設備和技術含量看起來都很低，但問題是成功率更低，弄點兒樣品做研究還可以，要是進行工業化生產，這樣的手段毫無用途，就是掌握了全世界的石墨礦也沒有任何商業價值。
石墨烯瓶頸
至於石墨烯的瓶頸在哪？
其實最大的瓶頸在「無知」，這個無知普遍出現在科研成果轉向市場化的過程中，實驗室成果妄想可以做到量產，而業界不願意投資在基礎材料上，這些都是石墨烯無法產業化的原因。
對比一下石墨烯和現在已經成熟的半導體晶片的製備加工生產行業標準
最近臺積電在美國投資120億美元在美國建設5nm晶圓廠，到2024年投產。反觀石墨烯產業，現在市面上打著石墨烯旗號的產品大多是交智商稅的。
與國外對比，我們仍然有很大的差距，國內石墨烯研發機構，石墨烯產業園，可謂發展得轟轟烈烈，但更多的作用，局限於作為一款添加劑，而不是作為一種能夠帶來數量級變化的材料應用。
未來我們可集中關注在石墨烯電池新能源汽車，可穿戴領域等，夢想是要有的，萬一實現了呢？
好啦，今天的內容就到這裡。
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