纵观诺贝尔奖的历史，可以发现很少有如此“年轻”的研究成果。历年来，只要是自然科学类的研究，从取得成果到获得诺贝尔奖，大多数要间隔几十年之久。比如试管婴儿技术早在1976年就出现了，然而直到有300多万的试管婴儿诞生后，这项成果才获得了2010年度的诺贝尔生物与医学奖。那么近十年里来物理学奖的主角“石墨烯”是怎样被发现的，又是凭借什么得到了诺奖评委的青睐呢？

得来全不费工夫

发现石墨烯的过程很曲折，却又很简单。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米(1纳米=10亿分之一米)，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。早在20世纪40年代，就有科学家对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但很长的一段时间里，他们用尽了各种方法，却始终没能成功地获得单层石墨烯。由此很多人认为，在有限的温度下这样的二维材料是不可能稳定存在的。

当然，也有另外一些人坚持自己的观点，并用实际行动来证明。哥伦比亚的年轻教授菲利普·金（P. Kim）带领的科研小组一直在尝试剥离石墨烯，用的方法看上去相当“高科技”。他们用AFM（原子力显微镜）的针尖扫过石墨顶端，企图依靠针尖的力量带下来几片石墨烯，但仍以失败而告终。

相对来说，海姆和诺沃谢洛夫的方法就太“简陋”了。据海姆介绍，这个疯狂实验最初是交给一位新来的中国博士生的。他们买了一大块高定向裂解石墨，让这位博士生在一台很好的抛光机上研磨，越薄越好。三个星期后，博士生跑来说成功了。但实际上，获得的石墨片仍然厚达10微米，相当于1000层石墨烯。海姆问：“你能否再研磨得薄一点？”博士生说，需要另一块石墨，这得花300美元。海姆没有再买一块石墨，他和他的助手诺沃谢洛夫决定用透明胶带来试试。之所以想到透明胶带，是因为研究小组当时引进了一位技术员来搭建低温扫描隧道显微镜，而这位技术员清洁石墨样品表面的方法就是用透明胶带把石墨表层粘掉。这提醒了他们，如果不断地粘起、撕开，就可以得到更薄的薄膜。

反复粘上10到20次之后，薄片最终产生了一些单层石墨烯。海姆和诺沃谢洛夫把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。就这样，第一种二维晶体材料正式出现了。

2004年10月，美国《科学》杂志发表了他们的研究成果，引发了科学界对石墨烯的研究热潮。对石墨烯了解得越多，人们就越惊讶于它的各种特性。

二维的碳

碳是神奇的元素，也是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨，还可以是C60那样的富勒烯。而石墨烯，则是碳的另一张奇妙脸孔。想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维而不是三维的。这就是石墨烯，它是二维的碳、人类已知的最薄材料，一种正为物理学和材料学带来许多新发现的东西。

神奇的特性

石墨烯打开了基础物理和应用物理的一扇大门，对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多极端的性质。它是室温下电的最佳导体，还是很好的导热体并且透明易弯曲。石墨烯既是最薄的材料，也是人类已知的强度最高的材料，它的断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积为1平方米的石墨烯，做成一个可以承受一只猫的重量的吊床，那么这个吊床本身的重量还不到1毫克，只相当于猫的一根胡须。

石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的气体原子也无法穿透它。

挽救摩尔定律

根据半导体业著名的摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。但硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，当硅材料尺寸小于10纳米时，它的物理、化学性能将发生质的变化，用它制造出的晶体管稳定性变差。提出该定律的摩尔本人公开表示，10年后摩尔定律将很难继续有效。

石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续。石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。电子可在石墨烯结构中以1/300光速的超高速度运行，因此它被视为制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的处理器频率有望达到1THz以上，是目前硅芯片的100到1000倍。目前研究人员已开发出10纳米级的可实际运行的石墨烯晶体管，并且开始研制由单原子组成的晶体管。

美国宾夕法尼亚州立大学也已经成功制成了100毫米的纯石墨烯晶圆（制作硅半导体集成电路所用的圆形硅晶片）。制造中，他们使用硅升华技术，去除了碳化硅晶圆中所有的硅，仅留下碳原子组成的石墨烯结构。该晶圆中包含的是石墨烯组成的场效应管元件，研究人员近期就会对其性能进行测试。下一步，他们还计划改进结构，提升电子在石墨烯中的运行速度，使其接近1/300光速的理论极限。

而IBM公司则在宾夕法尼亚州立大学发布100毫米石墨烯晶圆的第二天，在《科学》杂志上展示了迄今为止频率最高的射频石墨烯晶体管，速度可达到100Ghz（即每秒1000亿次），而此前的最好成绩是40Ghz。 据了解，如此高的频率是在晶圆尺度外延生长的石墨烯上获得的，所使用的处理工艺与目前广泛应用的硅设备制造技术也是兼容的。

也许，在不远的将来，我们会在计算机上看到石墨烯纤薄却又强悍的身影。

建造太空电梯

法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力。”然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！石墨烯，这种比钻石还强硬的物质，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍，并且原料是如此丰富。

它不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料，制造出超坚韧的防弹衣，甚至能用来打造3.7万公里长的太空电梯，让科学家的梦想成为现实。

人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。制造“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达3.7万公里并且足够强韧的缆线。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。石墨烯材料已被证实完全适合用来制造太空电梯缆线。

广泛的应用前景

石墨烯可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧的新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。由于具备完美结构，石墨烯还能用来制造超灵敏的感应器，即使是最轻微的污染也能察觉。目前，IBM公司已经制作出一种高频石墨烯晶体管，韩国三星公司的研究人员也已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。

在能源领域，石墨烯还可以用作电极材料。石墨烯是理论上最薄的材料，可用作透明导电膜的制造。石墨烯材料光的透过率在可见波段大于97%，导电性能也非常好，可以与稀有且昂贵的氧化铟锡（ITO）相竞争，而氧化铟锡普遍用于有机LED（OLED）显示器透明电极中。

神奇的石墨烯，随着人们对它的认识越来越深入，各种应用越来越成熟，将越来越多地出现在我们的身边。石墨烯，这种二维的碳到底会给人类世界带来什么样的改变？让我们拭目以待。