早在2004年，英国曼彻斯特大学（University of Manchester）的两位科学家进行了一个看似简单的实验，但其实验结果却可能会改变世界。

一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。

当时，研究人员安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）正在研究石墨，一种铅笔尖上的物质。石墨是由超薄的纯碳层堆叠而成。实验中，海姆和诺沃肖洛夫想看看他们是否能分离出单层石墨，这是一层几乎不可能的薄层碳层，只有一个原子厚。

所以，他们拿了一卷胶带。是的，就是我们日常使用的透明胶带。他们到底是怎么做的呢？我们来看看海姆对这次实验的技术描述：

“把（胶带）粘在石墨或云母上，剥掉最上面的一层。会有石墨薄片脱落在你的胶带上。粘在上面的胶片上，再把它们分开。然后重复这个过程10到20次。每一次，胶片都会分裂成越来越薄的薄片。最后，你的胶带上会剩下非常薄的石墨片。最后，你把胶带溶解掉，一切就都解决了。”

如此简单的胶带法居然奏效了！通过隔离单层碳薄片，海姆和诺沃肖洛夫制备出了一种名为石墨烯的全新材料。现在，石墨烯被认为是地球上最强、最轻、导电能力最好的物质。

2010年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而共同获得了诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员也开始呼吁如何利用这种非凡的“超级材料”来制造更强大和更持久的电池、更快的微芯片、更灵活的电路、可植入的生物传感器等等。

十年后的今天，虽然石墨烯还没有实现它大肆宣传的承诺，但业内人士相信，在未来几年，我们最终将看到智能手机、电动汽车和传感器使用基于石墨烯的技术。

为什么石墨烯是一种超级材料呢？

一层石墨烯的厚度仅为一个原子，它符合了超级材料的所有特性：

石墨烯的强度是钢的200倍。

它比纸轻1000倍。

它有98%的透明度。

在室温下，它的导电性比任何已知的材料都好。

它可以将任何波长的光转换成电流。

最后但同样重要的是，石墨烯由碳构成，碳是宇宙中含量第四大的元素，所以我们不太可能会用完。

左边的小瓶是石墨，中间的小瓶是石墨膨胀的，而右边的小瓶是石墨烯。

石墨烯的超能力来自其结构。如果你能把它放大到足够近的距离，你会看到一片石墨烯看起来像一个原子尺度的蜂巢。单个碳原子排列成类似铁丝网的六角形。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价结合，这赋予了这种材料难以置信的强度。

那为什么石墨烯导电如此之好呢？再说一次，还是因为这些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳中有四个电子，但只有三个电子与邻近的三个碳原子共享。剩下的电子被称为π电子，可以在三维空间中自由运动，这使得它可以几乎没有电阻地在石墨烯薄片上传递电荷。事实上，石墨烯是室温下任何已知物质中导电速度最快的。

“神奇的角度”

最近的一项发现又给石墨烯这种神奇材料增添另一个超级能力。2018年3月5日，顶级科研刊物《自然》（《Nature》）杂志连刊两篇由麻省理工学院（MIT）博士生曹原主笔的论文，宣告了石墨烯超导电性的研究新突破。随后，麻省理工学院（MIT）的一个研究小组据此理论试验了双层石墨烯（两层单原子石墨烯堆叠在一起），验证了石墨烯的这种几乎神奇的新特性。当这些层彼此旋转稍微偏离时（精确到1.1度），石墨烯就变成了超导体。而超导体是最稀有的一类导电材料，它可以完全无电阻、零热量地导电。

石墨烯“神奇角度”的发现在科学界引起了轩然大波。尽管，实验是在极端低温下进行的（接近0开尔文或零下459.67华氏度），但它开启了将石墨烯与其他超导元素结合的可能性，我们比以往任何时候都更接近室温超导。这一成就将极大地提高所有东西的能源效率，从小玩意到汽车，再到整个电网。

石墨烯如何改变技术？

科学家告诉我们，超导技术可能还需要几十年的时间，但革命性的石墨烯产品将会提前进入市场。
预计到2024年，市场上将会有各种各样的石墨烯产品，包括电池、光电子产品、夜视相机等等。

多年来，消费者一直在急切地等待石墨烯电池。我们很多电子设备中的锂离子电池充电相对较慢，而且很快就会失去能量，经过一定数量的循环后就会耗尽。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上效率最高的导电体，它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯电池的充电速度有望是锂离子电池的5倍，电池寿命是锂离子电池的3倍，在需要更换之前的循环次数是锂离子电池的5倍。

三星（Samsung）等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他电子产品的石墨烯电池，但最早将在2021年上市。至于在电动汽车中使用石墨烯电池 —— 它可以极大地增加汽车的行驶里程 —— 这可能还需要几年的时间。整个行业已经建立在锂离子技术之上，这个格局并不会在一夜之间发生改变。

业内人士表示，电池行业非常保守，它可能每5到10年才会改变电池的成分几次，这使得在这个行业推出新产品非常困难。

市场上虽然有几种基于石墨烯的电池，包括来自一家名为Real Graphene的公司的有线和无线充电器，但这只是冰山一角。来自Graphene Flagship的科学技术官表示，该公司已经和欧盟达成10亿欧元的合作项目，旨在加快石墨烯技术的发展。 Flagship的研究合作伙伴已经在制造石墨烯电池，其容量和能耗分别比当今最好的高能电池高20％和15％。 其他团队已经建立了基于石墨烯的太阳能电池，将太阳光转化为电能的效率提高了20％。

石墨烯的其他用途

虽然石墨烯电池可能是第一个上市的，但研究人员正忙于开发这种神奇材料的无数其他应用。

生物传感器非常重要。想象一下，一种非常薄的柔性芯片可以被注射到血液中，以监测实时健康数据，比如胰岛素水平或血压。或者是一个石墨烯接口，它来回地向大脑发送信号，以检测即将到来的癫痫发作，甚至阻止它。薄的、可伸展的传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的面料上。

中国香港理工大学物理学教授严峰博士于2015年拥有具有石墨烯电极的低成本半透明太阳能电池的新发明。

光子学是另一个已经加入石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器可以极大地提高对可见和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅会提高相机和望远镜的成像质量，也会提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯的另一个很有前途的应用。用石墨烯聚合物建造的简单净水过滤器，可以结合饮用水中的有机和无机污染物。研究人员还创造了基于石墨烯二极管的海水淡化技术，可以从农业和其他用途的海水中去除60%以上的盐。

所有这些发展都需要时间，但是科学家相信石墨烯会达到它的宣传效果。事实上，科学家同样对其他2000种单层材料尚未被发现的特性感到兴奋，这些材料也将被分离出来，如采用胶带法或其他方法。

虽然，我们说的是石墨烯，但实际上我们谈论的是正在探索的大量未知材料的开发和应用。一切正朝着正确和美好的方向发展着。

出处：头条号 @知新了了