解读“石墨烯”

石墨烯（graphene）是碳单质的一种同素异形体，由碳原子以sp2杂化方式形成的六角环状二维原子晶体材料，也是以sp2杂化为主的碳质材料的基本结构单元。

理论上，石墨烯只有单个碳原子层的厚度，约0.35纳米。实际上，人们常把10层以内的薄层石墨统称为石墨烯材料。石墨烯译自英文“graphene”，是由graphite（石墨）和ene（烯类词尾）组合而成的名词。

2010年10月，瑞典皇家科学院宣布将2010年度诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授，以表彰他们在石墨烯方面的开创性实验研究。这是继1996年诺贝尔化学奖授予富勒烯的发现之后，再次表彰碳材料领域的重大科学成就。

事实上，人类对石墨烯的结构并不陌生，石墨烯与石墨、金刚石一样，完全由碳原子构成。它是由单层碳原子构成的二维蜂窝状晶体材料。石墨烯的研究可追溯到20世纪40年代，1947年，加拿大的菲利普·华莱士首次计算了石墨烯的电子结构，发现其具有奇特的线性色散关系。1962年，德国的汉斯-皮特·波姆将氧化石墨还原，在透射电子显微镜下观察到了原子厚度的石墨烯片。2004年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫采用了简单有效的粘胶带剥离法，从石墨晶体中分离出高质量的单层和少层石墨烯，使对石墨烯性质的研究成为可能，并发现其具有半金属特性和双极性电场效应。随后，科学家们陆续发现石墨烯具有许多独特而优异的物理、化学、力学性质，如无质量的狄拉克费米子、量子霍尔效应、极高的载流子迁移率、亚微米尺度的弹道输运特性，以及超大比表面积和极高的热导率、透光率、弹性模量与强度。因此，石墨烯可能在信息、能源、航空、航天等领域获得重要应用，包括用于新型动力电池、高效散热膜、透明触摸屏、可穿戴设备、超灵敏传感器、智能玻璃、低损耗光纤、高频晶体管、防弹衣、轻质高强航空航天材料，等等。

石墨烯一出现即备受关注，迅速成为材料科学、凝聚态物理等领域的新星。我国虽在石墨烯研究领域起步稍晚，但现在已是世界上石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家。目前，石墨烯的研究与开发仍面临着一系列挑战，特别是在高质量石墨烯的可控规模制备与不可替代应用开拓方面。但笔者相信，經过政、产、金、学、研、用的全方位努力，石墨烯这一结构简单而性能优异的新材料，必将成为支撑人类生产、生活发展的神奇材料。

（转载自“学习强国每日科技名词栏目”，作者成会明为中国科学院金属研究所研究员、清华大学清华-伯克利深圳学院教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士）