最近，劍橋大學的研究人員使用石墨烯製造一種新型硬碟，由於石墨烯極薄的特性，新型硬碟的儲存量可達現在最先進硬碟的十倍，標誌著更大容量硬碟時代的到來。
簡談第四次工業革命核心科技之新材料之王：石墨烯
文/陳思進
迄今為止，人類社會已經歷經了三次工業革命，即：第一次工業革命，是18世紀60年代到19世紀中的蒸汽時代。之前，人類活動都是依靠人力，但人的力量是有限的。在蒸汽機出現以後，人類的生產力得到了解放，從農業時代進入到了工業時代；
而第二次工業革命，是19世紀下半葉到20世紀初的電氣時代，隨著電力的廣泛使用，並且開始使用第二種化石能源——石油，人類進入現代化社會；
從20世紀4、50年代直到今天，隨著第一臺二進位制計算機的問世，人類進入了資訊時代。
目前，科技界普遍認為，人類已然進入第四次工業革命的初期，量子科技、人工智慧、基因工程、新材料、新能源等是核心的基礎科技。
之前，我在《科普時報》的專欄中，簡單科普了這些科技中的量子力學的基本概念、量子計算、量子通訊、人工智慧等。那在接下來的系列文章中，將再簡介一下石墨烯、可控核聚變，以及轉基因等。
在此先從堪稱能改變世界格局的21世紀的“新材料之王”——石墨烯（Graphene）談起。
什麼是石墨烯呢？
簡而言之，石墨烯是碳的一種存在形式，它與從鉛筆芯一直到金剛石（也就是鑽石）為同素異形體，由同樣的單一化學元素組成，區別只是它們的碳原子之間的結構不同，因排列方式不同而具有不同性質的單質。
就拿鑽石來說，其碳12原子的結構特徵是每個碳原子都有四個共價鍵，原子間結構牢固，組成具有四個角相等的正四面體，形成一個鑽石晶胞，然後無數個鑽石晶胞聚在一起形成了鑽石。後來，由於其化學鍵硬實，結構牢固，被壟斷世界鑽石業的De Beers（戴比爾斯）借用來代表愛情： “鑽石恆久遠，一顆永留傳”，成了全世界每個新娘的必需品。
那麼，什麼是石墨呢？
首先，石墨不是立體結構，是一層一層的，每一層由無數個六個碳原子形成的環連在一起，而無數層的落起來就是石墨。
不過，層與層之間沒有化學鍵，靠的是分子的範德華力結合（注：Van Der Waals’forces，根據荷蘭物理學家約翰內斯·范德瓦耳斯命名，指分子或原子之間非定向的、無飽和性的、較弱的相互作用力），而範德華力和化學鍵相比，結實程度相差太遠了，好似手紙一般，層與層之間非常鬆軟，而且還可以相互滑動，因此，石墨具有潤滑性。
而一個單層的石墨就是石墨烯了——由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，但為何叫“烯”呢？因為它有碳碳雙鍵。
以前，石墨烯被認為是假設性結構，無法單獨穩定存在，直至2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆（Sir Andre Konstantin Geim），以及其學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Sir Konstantin Sergeevich “Kostya” Novoselov），成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
那麼，他們又是怎麼做出來的呢？
其實，他們沒有使用任何高科技手段，而是“純手工”的用透明膠帶來切割石墨，將石墨烯“撕”出來的。不過，這聽著簡單，卻包含了一個數學原理，就是不管多厚，哪怕有幾萬層，只要每次一分為二，再一分為二，so on and so forth，分十五次就能達到目的（你們可以自己試試看，拿一本厚書，一分為二，再一分為二，看看分幾次就能分出一頁，一般不會超過10次，因為2的10次方就超過1，000頁了……）。
顯然，石墨烯是目前世上最薄的奈米材料，一層的厚度只有0。355奈米，三層一塊兒才一個多奈米，是幾乎完全透明的，只吸收2。3%的光，好似二維結構；又是目前世上最堅硬的奈米材料，重量極輕，強度卻是鋼的300倍！同時，還是目前世上電阻率最小的材料（其電阻比銅或銀更低，即導電性非凡），以及拉伸性好、導熱性和散熱性均最強等各種特點。
那麼在現實中，石墨烯可以用在哪裡呢？事實上，可用的地方太多了，僅例舉一些吧。
由於石墨烯的電子移動速度極快，又輕又薄又結實，機械強度特別高，再加上它是透明、電阻率極低、良好的導體，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件、甚至晶片；也適合用來製造透明觸控（可摺疊的）螢幕或光板、甚至太陽能電池；並可用來做汽車或航空的材料；在軍事上的用途更廣，比如防彈衣，又比如航母彈射器管道中的潤滑層（現在都是用特種潤滑油，當滑塊高速運動時，會摩擦產生高溫，潤滑油會變質、甚至蒸發，以致磨損滑塊）……
而在科幻中，大家可能聽說過太空電梯（這裡先挖個坑，以後另外詳談）。現在人類上太空需要發射運載火箭，載人艙與空間站對接，又費錢又費時，相當危險。於是，在科幻影視裡，人類會搭建一部電梯，直接連線到太空站，去太空旅遊的話，只要進到這個電梯，按一下你想去的太空站就行了。眼下有了石墨烯，因其又輕又堅固，這個科幻構想看來就將成為現實了！
下文再接著談，第四次工業革命核心科技之新能源：可控核聚變。
2021年06月18日寫於多倫多安大略湖畔
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