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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611306]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、通往未来世界的金桥
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但石墨烯最吸引人的地方还在于它在现实世界里的可能应用。由于石墨烯的结构极为紧密和严整，哪怕在室温下都几乎没有任何缺陷，最大限度地发挥了众原子“集体的力量”，这使它不仅有比同等线度的钢铁还高两个数量级的强度，而且还有普通刚性材料难以企及的韧性，可以拉伸20%而不断裂。显示这种性质的流传最广的图片，是一幅猫躺在石墨烯制成的吊床上休息的想象图。这种由单层原子制成的吊床居然可以承受宏观物体的重量，无疑是令人惊叹的。那幅图片不够确切的地方，是没能显示出石墨烯的超薄特性。由于石墨烯的透光率高达97.7%[9]，厚度却只有单层原子，因此如果真有那样的吊床，它不仅对于肉眼，甚至对于很多仪器都会是不可见的，我们看到的将是一只悬停在半空中的猫，就像《爱丽丝漫游奇境记》（Alice’s Adventure in Wonderland）里那只柴郡猫（Cheshire cat）的笑容一样。
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石墨烯如果只用来制作吊床，那显然是大材小用了。它更重要的可能应用是制成超薄、超轻、超强的材料，用于飞机、火箭、防弹衣等对材料性质要求极高的产品中。而它最能扣动人们想象之弦的可能应用，则是所谓的太空电梯。这种早在1895年就由火箭理论的先驱者、俄国科学家齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出过的迷人设想，一直面临着一个致命问题，那就是找不到具有足够强度的材料来支撑线度达几万千米的巨型结构。石墨烯的出现使很多人重新燃起了希望。
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除上述可能应用外，石墨烯的另一类可能应用则倚仗于它的电子运动性质。如我们在前面所述，石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质，比如电子的质量仿佛是不存在的，而运动速度是所谓的“光速”。这些特性，加上石墨烯结构在常温下的高度完美性，使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速，几乎达到了人们梦寐以求的境界。体现到物理性质上，这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。这种性能既体现在纯净的石墨烯中，也可以部分地体现在含有石墨烯的复合材料中。而且更重要的是，石墨烯还可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。相比之下，目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10纳米（相当于几十层原子）左右的尺度上就会失去稳定性；而石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。事实上，IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了1000亿赫兹，超过了同等线度的硅晶体管[10]。很多人相信，石墨烯将会成为硅的接班人，引领技术领域一个新的微缩时代的来临。
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石墨烯的可能应用还有很多，比如它除了具有超高的强度和韧性外，还有不透水、不透气，以及抵御强酸、强碱的能力，这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。而石墨烯既能导电又高度透明的特点，则使它有可能在制作液晶显示屏、触摸显示屏、太阳能电池板等领域大显身手。此外，用石墨烯制作的能快速充电的电池、容量超高的电容、能检测单个污染物分子的污染探测器、能用于量子计算机的特殊元件等，也都在构想或研制之中。
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石墨烯从制备到获奖只用了短短六年的时间，与动辄要回溯几十年去“考古”的前几年的获奖成果相比，是非常快的。但在这六年里，由它开启的研究领域呈现了井喷的势头，几乎每个月都有新兴的研究方向被开辟出来。也许在不太遥远的将来，我们会开着由石墨烯电池驱动的车子去上班，在由石墨烯太阳能板提供能源的办公室里，用“内含石墨烯”（Graphene Inside——取代Intel Inside）的计算机从事工作。在假日里——如果有闲钱的话——我们也许还可以乘坐用石墨烯材料建造的太空电梯去地球同步轨道欣赏地月同辉的奇景。这一切奇思妙想都得益于六年前的那项工作。在有关未来世界的构想中，很少有一种材料能像石墨烯那样大范围、跨领域地激发人们的想象力，并使人们因为看到实实在在的希望而有可能投入实实在在的努力。从这个意义上讲，它仿佛一座通往未来世界的金桥。
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附录：获奖者小档案
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盖姆（Andre Geim）：荷兰籍俄裔物理学家，1958年10月1日出生于俄国城市索契（Sochi），1987年获俄国科学院固体物理研究所博士学位。自1990年起，盖姆先后在英国诺丁汉大学（University of Nottingham）、丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）、英国巴斯大学（University of Bath）、荷兰内梅亨大学（Radboud University Nijmegen）等地工作过。2001年，盖姆成为英国曼彻斯特大学（University of Manchester）物理学教授，并于2002年起担任曼彻斯特介观科学及纳米技术中心（Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology）主任。 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）：拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家，1974年8月23日出生于俄国城市尼茨塔吉尔（NizhnyTagil），2004年获荷兰内梅亨大学博士学位。诺沃肖洛夫是盖姆的学生及长期合作者，自2001年起，与盖姆一起在英国曼彻斯特大学工作。诺沃肖洛夫是自1973年以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主。 2010年10月11日写于纽约
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[1]本文曾发表于《科学画报》2010年第11期（上海科学技术出版社出版）。
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[2]石墨每一层上的碳原子间距约为0.142纳米，层与层的间距则为0.335纳米，后者是依靠微弱的范德瓦耳斯力（van der Vaals force）结合起来的，因而是松散的堆砌。
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[3]当然，这里所谓的“二维”不是几何上的二维，而仅仅是指垂直方向上的物理自由度可以忽略的情形。
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[4]不过那种球状或柱状的结构对于石墨烯的制备来说虽是“麻烦制造者”，本身却都是绝顶的好东西：前者是所谓的富勒烯（fullerene），它的发现者获得了1996年的诺贝尔化学奖；后者则是大名鼎鼎的纳米管（nanotube），也是一种令人着迷的新材料。
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[5]盖姆曾经因为在这种“星期五之夜实验”中进行过“磁悬浮青蛙”实验，而获得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖（Ig Nobel Prize in Physics）。他是迄今唯一一位同时获得过搞笑诺贝尔奖和诺贝尔奖的人。
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[6]有读者可能会问：既然朗道曾经证明过二维材料的涨落会破坏物质结构，怎么还可能制备出石墨烯呢？答案是，朗道的证明是针对大面积（理论上是无穷大）的体系的，而人们最初制备的石墨烯只有几平方微米。另一方面，朗道的证明考虑的是严格的平面，而真实的石墨烯会在三维空间里波动，从而耗散掉一部分涨落能量。因此石墨烯的出现虽然出人意料，却不是不可理解的。
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[7]制备石墨烯——尤其是大样品——的难度还可以从另一个角度来印证，那就是石墨烯的价格。直到2008年4月，石墨烯的价格依然高到令人瞠目的每平方厘米一亿美元，堪称史上最贵的材料。不过最近两年，人们制备石墨烯的能力已突飞猛进，最大样品的线度已超过70厘米，价格也已暴跌（因此千万不要囤积石墨烯，它很重要，但绝不可能使你发财）。
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[8]确切地说，那并非电子，而是电子与石墨烯晶格相互作用所产生的准粒子（quasiparticle），是石墨烯的低能激发态。
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[9]石墨烯的这个透光率（对应于吸收率2.3%）是一个漂亮的理论结果，精确公式为（1+πα/2）-2，其中α（≈1/137）是所谓的精细结构常数。很多媒体引用的是这一公式的近似式：1-πα。
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