“万能材料”石墨烯，万能在哪？

　　手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯究竟是什么，到底有什么特性让它备受推崇？

　　图1：石墨烯原子结构示意图 

　　1. 传说中的石墨烯到底是什么？ 

　　石墨烯与石墨之间有特殊的亲缘关系。石墨这种材料大家可能都比较熟悉，比如说铅笔芯、干电池内部的电极等，其主要成分就是石墨。从微观结构来看，石墨是一种层状材料，由一层一层的碳原子堆叠而成。对于每一层而言，其中的碳原子之间以牢固的共价键相结合，非常稳定。而层与层之间则是以一种比较微弱的作用力相互结合的，从而使得层与层之间比较容易脱离开。因此，厚的石墨是可以很容易地解离成薄的石墨片的。那么，石墨的这种结构就可以形象地类比成一本书，书中的每页纸就类比成一层碳原子。而我们要讲的石墨烯就是石墨这本“书”之中的一页“纸”。

　　那么这页“纸”有何奇特之处，使之得到诺贝尔奖的青睐呢？最关键就在于石墨烯这页“纸”特殊的结构。首先，石墨烯只有一个原子层的厚度，是人类制备出的第一种真正意义上的二维材料，颠覆了传统理论中“自然界中根本不可能找到稳定存在的二维晶体材料”这一结论。第二，石墨烯中的碳原子是以六角蜂窝的形状按规则排列的（如图一），这种排列方式导致石墨烯拥有非常特殊的电子能带结构，从而使其蕴含了丰富而新奇的物理现象与性质。在凝聚态领域中，材料的电子特性大都用薛定谔方程就可以充分描述。但是石墨烯是个例外，石墨烯中的电子输运遵循的是狄拉克方程，其中的载流子是无质量，是类似于相对论性质的粒子，其有效速度接近于光速。这种材料的发现无疑为凝聚态物理中开辟了一块全新的领域。