未来科技的新高度——超导材料石墨烯

2004年，曼彻斯特大学的两位科学家进行了一项看似简单的实验。他们将[胶带]粘在石墨或云母上，然后将其剥离。石墨薄片会从胶带上脱落。然后把胶带对折，再把它们分开。然后重复这个过程10或20次。每一次，薄片分裂成越来越薄的薄片。最后，你的磁带上只剩下一张很薄的纸。将胶带溶解在溶液中。这样就分离出了单片石墨，这是一层薄得令人难以置信的碳层，只有一个原子厚。

通过分离单层碳片，Geim和Novoselov发现了一种叫做石墨烯的新材料，它现在被认为是地球上最强、最轻和最导电的物质。

2010年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯分享了诺贝尔物理学奖，世界各地的研究人员开始呼吁如何利用这种非凡的“超级材料”制造更强大、更持久的电池、更快的微芯片、柔性电路、植入式生物传感器等等。10年后，石墨烯并没有实现其大肆宣传的承诺，但业内人士认为，未来几年我们最终会看到智能手机、电动汽车和传感器使用石墨烯技术。

如果你放大到足够近，你会看到一片石墨烯看起来像一个原子蜂窝。单个碳原子以类似铁丝网的六边形排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三种碳元素的化合价结合在一起，这使得该材料具有不可思议的强度。

石墨烯为什么导电性这么好？同样，由于这些碳原子的成键方式。每个碳原子的壳层有四个电子，但其中只有三个与相邻的三个碳原子共有。剩下的电子被称为π电子，可以在三维空间自由移动，这使得石墨烯片上的电荷转移几乎没有阻力。事实上，石墨烯是任何已知物质中室温下最快的导体。

多年来，消费者一直热切期待石墨烯基电池。我们所有设备中的锂离子电池充电相对较慢，在一定数量的循环后很快就会失去动力并烧毁。这是因为给锂离子电池供电的电化学过程会产生大量的热量。

然而，因为石墨烯是世界上最有效的电导体，所以它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯基电池有望实现比锂离子电池快5倍的充电速度、3倍的电池寿命和5倍的更换周期。

三星和华为子公司都在积极研发用于智能手机等设备的石墨烯电池，但最早上市时间是2021。至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会大大增加其行驶半径——还需要几年时间。整个行业都是建立在锂离子技术上的，不会在一夜之间改变。

生物传感器是一个重要的领域。想象一下，一个非常薄且灵活的芯片可以注射到血液中，以监控实时健康数据，如胰岛素水平或血压。或者石墨烯接口，它向大脑来回发送信号，以检测即将到来的癫痫发作，甚至阻止它。薄的、可拉伸的传感器也可以戴在皮肤上或织进衣服里。

光子学是另一个与石墨烯结合的领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器可以大大提高其对可见和不可见光谱中最弱光波的灵敏度。这不仅可以提高相机和望远镜的图像质量，还可以提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。石墨烯聚合物制成的简易净水过滤器，可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。

让我们欢迎下一次技术爆炸。