摘要：世界上有种东西，和钻石构成元素一模一样，但它的强度不仅远超钻石，还是钢的200倍，这种材料究竟有多神奇？

世界上有种东西，和钻石构成元素一模一样，但它的强度不仅远超钻石，还是钢的200倍，这种材料究竟有多神奇？

石墨烯的力量之谜

石墨烯的神奇力量并不来自于元素本身，它超强力学性能的秘密在于它独特的二维单层原子结构。

原来，石墨烯是由单层六边形碳原子组成的蜂窝状排列，每一个碳原子都与周边三个碳原子紧密相连，这种结构使得石墨烯具有极高的强度和延展性。

但石墨本身很软，容易断裂，因为层间相互作用很弱，相反，单层石墨烯却具有超常的机械性能。

1毫米厚的石墨烯纸就可以支撑一个大象的重量，其拉伸强度高达130GPa，是钢铁的100倍， 然而，把石墨烯从石墨中分离出来一点也不容易。

当时，两位英国科学家在研究石墨烯特性后，受到周围工作人员启发，发明出一种巧妙的“胶带法”。

他们用胶带重复粘贴及撕离石墨片，逐层剥离，最后获得单层石墨烯，经过处理后，它的重量只有纸的千分之一。

与此同时，这种简单的实验室方法启发了人们开发更多的石墨烯制备技术，例如机械剥离法、氧化还原法、气相沉积法等。

而胶带法之所以能成功分离出石墨烯，是因为石墨烯层与层之间的相互作用非常微弱，其中的每个碳原子，都与三个相邻的碳原子以共价键紧密结合。

而相邻层之间仅存在微弱的范德瓦尔斯力，这导致石墨中的层与层结合不牢固，用胶带就可以分离。

可单层石墨烯内部的碳原子之间则凭借强大的共价键结合成六边形蜂窝结构，使得石墨烯具有极高的机械强度。

不仅如此，石墨烯具有极高的光透过率，仅一层石墨烯就可以吸收2.3%的入射光，要完全吸收可见光，需要50层石墨烯。

这意味着极薄的石墨烯就可以有效地吸收光子，与硅相比，石墨烯的光吸收率高出一个数量级，这使得石墨烯非常适合作为高效光电设备的光吸收层。

此外，石墨烯在吸收一个光子时可以产生多个电子，这一效应被称为多体效应，这与硅和砷化镓等传统光电材料不同，后者每个吸收的光子仅产生一个电子。

这样一来，石墨烯的多体效应可以有效利用入射光子的能量，显著提高光电转换效率的理论上限。

同时，石墨烯也具有优异的热导性，这对光电器件的散热与稳定性非常关键，石墨烯中的声子以22km/s的速度传播，使其具有极高的声子热导率。

另外，由于石墨烯本身是优良的导电材料，它还具有出色的电子热导性能，这两种热导机制的综合作用，使石墨烯成为散热性能极佳的光电材料。

目前，合成大面积石墨烯薄膜的方法已日趋成熟，常用的方法是化学气相沉积法，在含铜溶液的催化下，使碳源气体如甲烷分解生成石墨烯。

也可以通过各种剥离石墨的方法取得石墨烯粉末，这些方法中，利用气泡技术可以获得高质量的石墨烯产品。

石墨烯的高导电性及其应用前景

这些产品能发挥作用，主要是因为石墨烯具有零带隙的特点，也有利于提高其导电率，实验表明，石墨烯的导电率可达108S/m，是铜的100倍。

这与石墨烯独特的二维层状结构有密切关系，其中的每个碳原子都参与键合并贡献一个自由电子，从而产生了极高的载流子浓度。

石墨烯的这一独特电学性质使其在电子器件方面具有广阔的应用前景。

例如，利用石墨烯制作的薄膜晶体管等产品，在正常工作的前提下，和其它零部件相比，消耗的电能更低。

这是因为石墨烯具有高达200000 cm2/Vs的载流子迁移率，可支持毫微秒级的超快开关速度。

与硅相比，石墨烯晶体管的导通电阻也更低，可降低器件的传导损耗。

此外，一些学者提出在可穿戴设备等方面应用柔性石墨烯电子器件，实现曲面化的互联网。

近年来，石墨烯的高导电性也可用于制作高灵敏度的传感器，如果在医疗领域将石墨烯传感器植入人体，可以利用它的自身性质，对人体进行实时监测。

这种植入式石墨烯生物传感器有望实现持续测量和自动药物传输，对慢性病患者尤为重要。

除了电子器件外，石墨烯在储能器件方面的应用也备受关注，利用石墨烯制成的超级电容器和锂离子电池具有充放电速度快、容量大等优点。

一些初步的研究表明，含石墨烯的电池充电时间可降低至15分钟，大大缩短了传统锂离子电池的充电时间。

不仅如此，英国埃克塞特大学的研究发现，在水泥混凝土中加入极薄的石墨烯，可以使混凝土的抗压强度提高一倍，抗拉强度也明显增强。

起初，英国科学家都不相信这个发现，直到他们亲身经过实验证明，才承认石墨烯具有非常可观的抗拉强度。

是因为石墨烯薄片之间形成了一种网络联结作用，能有效抑制裂纹的扩散蔓延，这一发现对建筑业意义重大。

简言之，借助石墨烯，我们可以用更少的混凝土材料就能建造出更高更大的楼宇。

这不仅环保，也能降低成本，目前，这项技术已经用于多个工程项目，比如轨道、桥梁等建设。

除了增强强度，石墨烯同样能够大幅提升建材的防水性能，石墨烯层层叠加形成的薄膜，对水分子的通透性极低，起到非常好的阻隔作用。

这意味着掺入石墨烯的水泥表面几乎完全防水，这样一来，建筑结构就不容易受到腐蚀侵蚀，使用寿命也可以延长。

已有涂料生产商见状，已经研发出了石墨烯涂料，通过喷涂的方式为建筑表面提供防水保护，这种涂料不仅环保，对各类建筑都非常实用。

除了以上两点，石墨烯在建筑智能化方面也展现出巨大潜力，石墨烯具有出色的导电和导热性能。

借助这一特点，我们可以在建筑内嵌入石墨烯制成的传感器和控制电路，使建筑能够像生物体一样“感知”周围温度、湿度、有害气体等变化，并作出相应反应。

与此同时，应用到石墨烯材料的种智能调节通风、采暖等系统，实现了建筑的“智能化”。

这种建筑智能系统的研发已经启动，有望大大提高建筑的环保性和人居舒适度。

石墨烯为建筑业带来了一场革命性的变革，它不仅能与传统材料配合使用，激发材料更大的潜力，还能催生崭新的建筑理念和设计模式。

目前，石墨烯建材正处于从实验室走向市场的关键阶段，要实现商业化，还需解决大规模生产中的技术与成本控制问题。

但作为一种超级材料，石墨烯建材的应用前景毋庸置疑，它必将改变我们的建筑和生活环境，成为建造未来的奇迹材料。

同时，石墨烯的高导电性开启了电子器件与储能器件领域的新篇章。

未来随着石墨烯材料的不断优化以及器件技术的发展，我们有理由相信石墨烯会在更多电子产品中发挥关键作用，改变我们的生活方式。

通过合理设计和应用，石墨烯的巨大潜力也必将转化为切实的商业价值。

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来源：情感有话说