蜂窝状的碳薄片
（图片来源：诺贝尔奖基金会网站）
□本报记者 潘希
在物理学领域，石墨烯还是一个新名词。
虽然科学家们早已预言这种纯粹的二维晶体无法稳定存在，制备单层石墨的试验也一直难以破解，但一些物理学家却从未放弃过。
瑞典当地时间10月5日，2010年诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在制备二维空间材料石墨烯方面的突破性实验获得殊荣。
至此，距离实验成功仅仅6年的石墨烯以不同以往的形式向世界展示了其独特所在。
“石墨烯获得诺贝尔奖在意料之中，但没想到会来得那么早。这说明其独特性质在未来的应用前景上已得到共识。”针对此次获奖的石墨烯材料，中国科学院物理所北京凝聚态物理国家实验室教授张广宇接受了《科学时报》专访。
打破前人预言
苏联力学泰斗朗道曾经提出，在有限温度下，任何二维的晶格体系都是不稳定的。
“石墨研究已有几十年历史了。早在1949年，就有科学家在理论上研究出了单层石墨的结构、电子学性质等，并且建立了理论模型。”张广宇表示，现在针对石墨烯的研究有很多还在沿用1949年的这个模型。
2004年，海姆和诺沃肖洛夫首次发现石墨烯并将研究成果发表在美国《科学》杂志上。在实验中，海姆和诺沃肖洛夫利用透明胶带把石墨表层粘掉，并不断地粘起、撕开，就可以得到更薄的石墨薄膜。这种方法被叫作透明胶带技术。
在论文发表时，这样一种原本被认为不能存在的材料还不叫石墨烯，根据其特性，海姆和诺沃肖洛夫称其为“超薄的碳膜”。
这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。石墨烯是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。
薄是因为石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，厚度只有一个原子。强度高是因为它虽然薄到极致却非常致密，即使原子尺寸最小的氦也无法穿透它。
“之所以过去认为单层石墨不能稳定存在，是因为它的结构太完美了，在理论上不符合热力学的稳定性需求，但石墨烯打破了原有的概念。”张广宇解释说。
在短短的6年时间里，石墨烯给物理学界带来了无限的意义。
张广宇认为，海姆的工作是在科学界引起人们广泛注意的第一个工作。2004年以前，这种材料也有不少人关注过，并且也有人偶然得到过，但是没有人意识到它的重要性。
“从2004年发现石墨烯后，这个领域呈现爆炸性增长，现在全世界有很多科学家在这个领域内做非常前沿的课题，把科学研究推进得非常快。他们的发现在凝聚态物理学领域非常重要。”张广宇说，这也是海姆和诺沃肖洛夫在6年之后获得诺贝尔奖的重要原因。
科学界都在关注石墨烯的研究进展。可以想象，这种神奇的材料一旦投入实际应用将给人类社会带来多少革命性的变化。
未来应用需时间考验
诺贝尔奖评审委员会认为，石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。
石墨烯这种材料很独特，因其厚度只有单个原子，因此是严格意义上的二维材料。张广宇说，不同于普通的三维材料，因为受到维度上的控制，石墨烯会显示出限制效应，尤其是量子的限制效应，这就导致很多新的物理现象的出现。
张广宇认为：“这种二维材料带来了很多新的意义，无论是物理学、化学，还是信息领域、能源领域和器件制造等方面，都是非常有前景的材料。”
在信息领域，石墨烯被认为可以作为替代传统半导体材料的新材料，科学家们也已经着手研究。
“想要真正可行，还需要大量的基础研究工作。目前，一些原型器件已经做出来，但以后是否能大规模集成，还需要科学家去努力。”张广宇说。
石墨烯在信息领域的另一个应用是成为信息载体。因为石墨烯是具有自旋量子效应的特殊材料，与高温超导体、磁性材料相比，更容易获得和使用。张广宇说，石墨烯中有很多较为独特的量子效应，比如量子霍尔效应在其他材料体系中要得到，需要非常苛刻和极端的环境条件，而石墨烯在普通环境下就可以有量子霍尔效应，是很完美的一种材料。
在能源领域，石墨烯还可以用作电极材料。石墨烯是理论上最薄的材料，可用作透明导电膜的制造。
“石墨烯材料光的透过率在可见波段大于97%，导电性能也非常好。”张广宇说，这样一来，石墨烯就可以与稀有且昂贵的氧化铟锡（ITO）相竞争，而氧化铟锡普遍用于有机LED（OLED）显示器透明电极中。
美国斯坦福大学研究人员曾表示，石墨烯可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案，与ITO相比，石墨烯的电子迁移率较高，能把电极做得更薄、更透明，导电性也更好。这些优势大大有利于超薄柔性OLED显示器的开发。
据了解，韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。
“已经有很多展示性的产品做了出来。”张广宇认为，石墨烯用作透明导电膜的各项参数已经达到标准，是很有前途的产业方向。不过，石墨烯用在高频器件上的研究还很少，据了解，美国军方已经投资几十亿美元在石墨烯高频器件研制上。
此外，石墨烯用来做传感器也是很重要的一个产业方向。
“现在，我的一个工作就是用石墨烯来做传感器，不同于一般材料，石墨烯的原子都在表层上，信号的灵敏度可以提高几个数量级。并且由于碳原子的键长是自然界最短的键长，因此结构非常稳定。”张广宇说，石墨烯是做化学、生物传感器非常好的材料。
不可否认，石墨烯是未来非常有潜力的材料。但是，张广宇也认为，石墨烯走向市场，要考虑的因素还有很多，还需要时间。石墨烯未来的应用，需要科学家和工程技术人员不断往前推进。“如果现在说具体的应用，仍然是不确定的。”
实验和理论缺一不可
今年9月，海姆曾经到中科院物理所作了一次访问。在张广宇的印象里，海姆是一位“风度翩翩、比较沉稳的科学家”，他在研究领域十分活跃。
“海姆对把石墨烯推向应用层面也比较感兴趣，他现在的工作很多是这方面的研究，当然，基础的物理问题他也在继续研究，例如在石墨烯体系中发现的新的物理现象等。他更关心这个领域总体的发展。”张广宇说。
海姆是一位实验物理学家，在石墨烯研究领域最重要的一部分成果来自实验。实验起到了真正的推动作用。
石墨烯研究领域发展迅速。目前，就制备而言，已经不单单只有透明胶带技术一种方法。科学家们已经可以通过微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法、化学分散法等来制备石墨烯。
在张广宇看来，物理的理论和实验的关系非常密切。
“当石墨烯引起人们关注之后，随之而来的就是更加深入的研究。”谈及未来的研究，张广宇说，理论出来了，会需要实验来验证；而实验中发现新的现象后，也要用理论去计算，找到现象出现机制是什么。
《科学时报》 (2010-10-13 A1 要闻)