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碳纤维复合材料空前成功，让不少工程师开始幻想追求最不可能的目标。他们问道：这个质地强韧的材料是不是能实现人类长久以来的梦想，兴建一座电梯直达太空？太空电梯计划又称为天钩、天梯或宇宙缆车计划，目的在兴建一条通道，连接赤道和赤道正上空的同步人造卫星。这个计划若能完成，外太空旅行将立刻成为人人负担得起的活动，所有人员和货品都可以轻松送上太空，几乎不必耗费能源。
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俄国工程师阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov）于1960年率先提出这个构想，希望建造一条长达3.6万公里的缆线，连接卫星和赤道上的定点船只。所有研究都显示他的构想确实可行，但制作缆线的材料必须具备极高的强度重量比。之所以要考虑重量，是因为搭建任何缆线结构前，都必须先考虑它能否支撑自己而不致绷断。因此以3.6万公里长的缆线来说，每股缆线的强度必须能举起一头大象，但即使顶级碳纤维也只能举起一只猫。不过，这是因为碳纤维缺陷太多。理论计算清楚指出，只要能做出纯碳纤维，它的强度就会大幅提高，甚至超过钻石。于是所有人开始寻找方法，希望做出这样的材料。
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另外一种碳原子排列方式的出现为搜寻者带来了曙光，而且出自一个众人都始料未及的地方，那就是蜡烛的烛焰。1985年，克洛图（Harold Kroto）教授的研究团队发现烛火内的碳原子竟然会自行集结成超分子，而且都恰好包含60个原子。这些超分子外观有如巨大的足球，而建筑师巴克敏斯特•富勒正好设计过结构相同的六角网格球顶，因此这些超分子也称为“富勒烯”。克洛图的研究团队因为这项发现而获颁1996年的诺贝尔化学奖，同时也让世人明白了一件事：微观世界里可能还包含许多人类未曾见过的碳原子排列方式。
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“富勒烯”的分子结构
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碳原子几乎一夜之间成了材料科学最热门的研究对象，而且另一种碳原子的排列方式很快就出现了。
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在新的结构中，碳原子会形成直径只有几纳米宽的长管，虽然结构复杂，却有一个特殊性质，那就是它会自行集结，完全无需外力就能自行合成复杂的纳米管，也不需要高科技器材协助，在蜡烛的烟里就能成形。这感觉就跟发现微生物一样，世界突然变成一个比我们想象得更复杂、更神奇的地方。不只是生物能自行合成复杂的结构，非生物世界也可以。世人开始着迷于制造和研究纳米分子，纳米科技也蔚为风潮。
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纳米碳管的分子结构
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纳米碳管很像迷你的碳纤维，只少了微弱的范德华力。科学家发现它是地球上强度重量比最高的物质，因此或许能用来制造太空电梯。所以问题解决了吗？其实不尽然。纳米碳管通常只有几百纳米长，但必须达数米长才能用来制作缆线。目前全球有数百个纳米科技研究小组正努力解决这个问题，但海姆的团队却没这么做。
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海姆的团队问了一个更简单的问题：既然这些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形结构为基础，而石墨本身又是一层层六角形平面堆栈而成的，那为何石墨不是我们在找的魔术材料？答案是，六角形平面状的石墨层太容易彼此松动，使得石墨非常脆弱。但要是只有一层石墨层呢？那会是什么状况？
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海姆端着咖啡回到办公室时，我手里依然拿着他的奖牌。虽然是他要我拿出来看的，我还是微微有一点罪恶感。他放下咖啡，从我手中取走奖牌，放了一块来自英国坎布里亚郡石墨矿场的纯石墨到我掌心里，跟我说这块石墨是他到矿场拿的。他当时在曼彻斯特大学做研究，矿场就在同一条路上。说完他开始解释他的团队如何做出单层的碳原子六角形平面。
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他撕了一小条胶带贴在那块石墨上，随即把它撕下。只见胶带上黏了一层散发着金属光泽的石墨薄片。接着他又撕了一小条胶带贴在石墨薄片上，再撕开。薄片顺利分成了两半。反复四五次之后，石墨薄片越来越细薄，最后他说其中有些石墨的厚度只剩一个原子了。我看了看他手上的胶带，只见上头有几个小黑点，但我不敢小觑，只好目不转睛地盯着看。海姆笑着说：“你不可能看见的，一个原子厚的石墨是透明的。”我故意用力点头假装知道。接着海姆带我到隔壁用显微镜看，这样就能瞧见石墨的原子层了。
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海姆的团队拿到诺贝尔奖不是因为做出单层石墨，而是发现单层石墨的性质非常特别，就算放在纳米世界中也一样奇特，应该将它视为一种新材质，并且取个名字。他们决定叫它“石墨烯”。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544698]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 神奇材料石墨烯
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简单来说，石墨烯是世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质，导热速度比目前已知的所有材料都快，也比其他物质更能载电，导电更快、电阻更小。此外，石墨烯还允许克莱因隧穿效应。克莱因穿隧效应是一种奇异量子效应，物质内的电子可以自由通过（隧穿）势垒，仿佛障碍完全不存在。这表示石墨烯很有潜力成为迷你发电厂，取代硅芯片成为所有数字运算和通信的核心。
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石墨烯的分子结构
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石墨烯纤薄、透明、强韧又易导电，因此也可能成为未来触控界面的首选材料，不仅能用在我们已经习以为常的触控屏幕上，甚至连在物品和建筑上也能应用。不过，石墨烯最出名也最古怪的一点，就是它是二维材料。它当然有厚度，只不过就只能这么厚，薄一点或厚一点就不是石墨烯了。海姆的团队展示了这一点。加上一层碳原子到石墨烯上，它就会变回石墨；取走一层碳原子就什么也不剩。
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我的美术老师巴灵顿先生说，石墨是比钻石还要高等的碳，虽然他说话的当时并不知道我们在这里讨论的内容，但他几乎全说对了。他还强调石墨的原子特性很重要，这一点也说对了。石墨烯是构成石墨的基本单位，厚度只有一个原子。你用铅笔写字，有时在纸上留下的就是它。石墨烯可以单纯地用来表达艺术，不过它的功用远大于此。石墨烯和卷成管状的纳米碳管将成为人类未来世界的重要推手，从微观到宏观，从电子到汽车、飞机和火箭，甚至（谁晓得？）太空电梯，统统都将与这两种材料有关。
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没有石墨就没有石墨烯。所以这表示石墨终于超越钻石，这匹黑马终于在缠斗数千年后甩开钻石脱颖而出了吗？尽管现在还言之过早，不过我是有点存疑。因为虽然石墨烯终将开创工程科技的新时代，科学家和工程师也已经对它爱不释手，但不表示它就至高无上了。钻石或许不再是最坚硬和强韧的物质，我们也知道它并非永恒，但大多数人依然不这么想。钻石依然是坚贞爱情的见证。钻石和真爱的联结或许源自高明的营销手腕，但对我们已经成为真实。
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