石墨烯到底是什么？為什么會(huì)有這么神奇的性質(zhì)？接下來就給大家介紹一下石墨烯。

我們首先要了解一個(gè)概念名字叫做同素異形體。什么叫同素異形體？同素異形體，顧名思義就是同一種元素，但以不同的表現(xiàn)形式存在。我們知道自然界的物質(zhì)都是由不同的元素構(gòu)成的，那么有一些物質(zhì)，它們是有相同的元素構(gòu)成的，但是它們表現(xiàn)就很不一樣，原因是因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)的不同。比如說我們平常呼吸需要用氧氣，氧氣是由2個(gè)氧原子構(gòu)成的；還有一種叫做臭氧，這個(gè)臭氧其實(shí)也是由氧原子構(gòu)成的，只不過它是3個(gè)氧原子，那它們兩個(gè)之間就是同素異形體，而且它們的化學(xué)性質(zhì)很不一樣的。比如說氧氣是我們所需要的，但是臭氧濃一旦高了，人就會(huì)中毒。

理解了同素異形體，接下來就給大家講講石墨烯。我們先來說石墨，石墨其實(shí)是一種礦物質(zhì)，比如說我們?cè)谶@個(gè)寫字的時(shí)候用的鉛筆，鉛筆芯就是石墨，它比較柔軟、比較光滑

，可以用來做潤(rùn)滑劑，這是石墨。然后還可以導(dǎo)電，可以用來做電極。那石墨的結(jié)構(gòu)什么樣呢？石墨的結(jié)構(gòu)是分層的，每一層會(huì)有一個(gè)正六邊形，每一個(gè)黑色的都是一個(gè)碳原子。而我們看到的石墨，其實(shí)是很多很多層一層一層堆積起來的，那么在同一層內(nèi)兩個(gè)原子之間是靠化學(xué)鍵作用連接在一起，所以比較豎固。但是層之間其實(shí)是沒有化學(xué)鍵的，它是靠分子的范德華力作用聯(lián)合在一起的，所以它們兩層之間的其實(shí)是可以相互滑動(dòng)的，這就是石墨。

說完了石墨，那石墨烯到底是什么呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，如果我們把石墨中一層拿出來，就構(gòu)成了石墨烯，也就是說石墨烯其實(shí)就是單層石墨，這就是石墨烯的含義。接下來，我們來介紹一下石墨烯的特點(diǎn)。石墨烯這種材料，其實(shí)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間并不長(zhǎng)。在之前人們一直預(yù)言這種東西它是不存在的，那么它是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？

在2004年的時(shí)候英國(guó)曼徹斯特大學(xué)有兩位科學(xué)家安德烈·海姆和諾沃肖洛夫他們研究如何獲得單層的石墨，結(jié)果他們就使用的一種方法“撕膠帶”。什么叫撕膠帶，就是我們平時(shí)寫作業(yè)的時(shí)候?qū)戝e(cuò)了，然后我們會(huì)用一個(gè)膠帶粘到這個(gè)作業(yè)本上，然后把這個(gè)膠帶撕下來

，就會(huì)把那個(gè)我們寫的筆記就粘下來了，然后我們就可以再接著往上寫了。那么他們這種做法其實(shí)差不太多，他們做法就是在一個(gè)膠帶上面，然后粘一塊石墨，然后一撕粘，不就有一些石墨痕跡就留在這個(gè)膠帶上了，然后把這個(gè)膠帶對(duì)折一下，用另一面再去粘一次，這石墨就跑到另一面上去了，然后你再去粘一次 ，折疊粘貼 、折疊粘貼…，把膠帶不停的撕，撕了好多好多層，終于就發(fā)現(xiàn)了單層的石墨，單層的石墨就是石墨烯。這個(gè)世界就震驚了。因?yàn)槿藗冋J(rèn)為這個(gè)東西以前應(yīng)該是不存在，它是個(gè)二維結(jié)構(gòu)，而我們生活在的是三維空間，不應(yīng)該存在 ，結(jié)果人家做出來了，不得不承認(rèn)人家是正確的，后來發(fā)現(xiàn)了之后，在2010年的時(shí)候，他們兩個(gè)人就一起獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

那這種結(jié)構(gòu)它有什么樣的特點(diǎn)，為什么造出一個(gè)材料就可以得諾貝爾獎(jiǎng)呢？首先它是一個(gè)二維材料，二維材料意思是說它實(shí)際上是一個(gè)平面的結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)平面的厚度非常非常的薄，大概是0.355nm，所以它實(shí)際上就是一個(gè)單原子層，這一層實(shí)際上是一大堆六邊形。

我們平常所用的這個(gè)石墨，其實(shí)都是這些石墨烯疊了很多很多層，有多少層呢？比如我們?nèi)绻?mm厚的石墨，1mm厚它其實(shí)對(duì)應(yīng)了150萬層的石墨烯所以我們想分離出單層的其實(shí)是很困難的。

傳統(tǒng)科學(xué)理論認(rèn)為二維材料不應(yīng)該存在，是因?yàn)闊岬臐q落會(huì)造成破壞這個(gè)結(jié)構(gòu)，但事實(shí)上， 因?yàn)槭┧鼉蓚€(gè)原子之間的作用力非常強(qiáng)所以它不但可以存在 ，而且還非常穩(wěn)定 ，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，那我們來看一看這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是什么？第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的機(jī)械強(qiáng)度大；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是拉伸性能好；第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的導(dǎo)電性能好；第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是導(dǎo)熱性能好。

所以總而言之，它有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如它還可以透光，它還可以彎曲等等一系列的優(yōu)點(diǎn)。那么利用這些優(yōu)點(diǎn)我們就可以用它來做一些特殊的器材，我們來看看可以做哪些器材？第一個(gè)機(jī)械強(qiáng)度大而且可以拉伸可以做防彈衣；第二個(gè)可以做折疊的電子設(shè)備；第三個(gè)可以用來做電池的添加劑；再比如我們可以用來做計(jì)算機(jī)芯片，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)CPU它面臨的一個(gè)問題，就是散熱的問題，因?yàn)槲覀儼堰@個(gè)計(jì)算機(jī)的這個(gè)功率搞得太大，電路太密集 ，最后這個(gè)熱量散不掉，芯片就會(huì)燒毀，你用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料硅， 就是沒有辦法再解決了，因?yàn)樗娮杪示褪潜容^大，現(xiàn)在我們?nèi)绻褂檬┳鯩OS管、用石墨烯來做芯片的話 ，導(dǎo)熱性能非常好，散熱性就很好，而且電阻又比較小 。所以這樣可能會(huì)上百倍的提高我們計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，當(dāng)然這可能還是我們一個(gè)比較遠(yuǎn)的設(shè)想，目前為止 我們?cè)谥谱魇┻@一塊其實(shí)還是有很大的困難，所以做芯片可能還需要幾十年的時(shí)間。

石墨烯還有什么作用呢？它還可以凈水，因?yàn)槭┧且粋€(gè)平面結(jié)構(gòu)，所以它具有很大的面積體積比，也就是說它的表面積非常非常大 ，它體積又很小，所以這樣一來 它就有很大的吸附能力，那么有一些雜質(zhì)，就可以吸附到這個(gè)石墨烯表面，同時(shí)我們還可以改變這個(gè)石墨烯的一些結(jié)構(gòu)，使得只有水分子能夠經(jīng)過石墨烯，其它的什么那個(gè)氯化鈉這些物質(zhì)都不能經(jīng)過，這樣一來我們就可以用它來凈化海水。我們還可以用它來做一些生物醫(yī)療方面的一些工作，比如說石墨烯具有很好的生物導(dǎo)電性，我們身體的那個(gè)各種信號(hào)是通過電來進(jìn)行傳導(dǎo)的。那么假如一個(gè)人，他具有一些殘疾，比如說他眼睛瞎了，那我們現(xiàn)在要安一個(gè)假的眼睛，我們?cè)趺窗堰@個(gè)假的眼睛感受到的電信號(hào)傳給這個(gè)人呢？科學(xué)家們認(rèn)為用石墨烯做導(dǎo)電材料是非常合適的。

石墨烯為什么具有這些特點(diǎn)，這個(gè)是我們化學(xué)中要研究的最重要的一個(gè)問題。就是為什么它具有這樣的特點(diǎn)，這個(gè)是由于它的結(jié)構(gòu)組成決定。石墨烯之所以有以上的那些優(yōu)勢(shì)完全是由于它的結(jié)構(gòu)所決定的。為了解釋這件事兒 我們要給大家介紹一個(gè)概念就是電子的軌道。我們知道碳是6號(hào)元素，中間有原子核，外邊有6個(gè)電子，這6個(gè)電子是分層排布的，其中最內(nèi)層有2個(gè)電子，它是穩(wěn)定的，外面還有4個(gè)電子。這4個(gè)電子它是存在一定的軌道了。

說這4個(gè)電子是怎么樣去運(yùn)動(dòng)的呢？人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)電子有波粒二象性，所以它不一定在什么位置，我們?nèi)绻掷m(xù)的觀測(cè)就會(huì)發(fā)現(xiàn)電子存在各個(gè)地方的概率不一樣，我們把這概率畫出來就叫電子云。

那么科學(xué)家們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)第二層的電子軌道，它其實(shí)是有兩種不同的電子分布情況。

第一種就是一個(gè)球體的分布，電子可能在這個(gè)球中的某一個(gè)位置，這種軌道的我們就稱之為S軌道；第二種軌道是它有一個(gè)紡錘體的結(jié)構(gòu)，它有可能會(huì)在這個(gè)紡錘體中的任何一個(gè)部位

這種就叫P軌道。但是這個(gè)紡錘體是有方向性的，它可以是左右的、前后的、上下的，所以它是有3個(gè)P軌道，分別稱為Px 、Py和Pz。 所以說第二層的軌道一共有4個(gè)軌道，分別是S軌道、 Px 、Py、 Pz 。這4個(gè)軌道里面每一個(gè)軌道可以容納最多兩個(gè)自旋相反的電子

，這是根據(jù)泡利不相容原理，同一個(gè)軌道不能有自旋也相同的電子，所以說一共最多可以容納8個(gè)電子。但是碳是6號(hào)元素，所以它外層只有四個(gè)電子。那么問題來了這4個(gè)電子究竟是取哪個(gè)軌道呢？它一共是4個(gè)軌道 ，8種情況？它到底是取哪個(gè)軌道呢？

我們來說一下金剛石。金剛石它每1個(gè)碳原子周圍都有4個(gè)碳原子，你取哪種軌道都不可能形成這種完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這個(gè)時(shí)候我們?cè)趺慈ソ忉屗?。于是科學(xué)家們提出一種設(shè)想，

說這個(gè)像金剛石這種情況，它實(shí)際上是S軌道和3個(gè)P軌道發(fā)生了雜化，這4個(gè)軌道合到一塊又均分了，變成了4個(gè)完全相同的軌道，這種我們稱之為SP3雜化。 SP3雜化的意思就是一個(gè)S軌道和3個(gè)P軌道它們混合到一塊，然后一起構(gòu)成了4個(gè)完全相同的軌道。而這4個(gè)完全相同的軌道是什么樣子的，其實(shí)就形成了一個(gè)正四面體的情況，那么我們?cè)谂赃吤恳粋€(gè)地方再接一個(gè)碳原子，其實(shí)這個(gè)碳原子也是形成了這種雜化軌道的這兩個(gè)雜化軌道合到一塊，我們稱之為頭碰頭。你的雜化軌道跟我的雜化軌道碰到一塊了，我們稱之為頭碰頭。頭碰頭如果我們說的這個(gè)更加專業(yè)一點(diǎn)兒它應(yīng)該叫σ鍵。碳碳之間的σ鍵其實(shí)是非常強(qiáng)的，所以說就可以把金剛石牢固的結(jié)合在一塊，金剛石的強(qiáng)度就非常非常大，因?yàn)榻饎偸浅?jiān)硬，所以一旦一個(gè)原子振動(dòng)起來，那這個(gè)振動(dòng)很快就會(huì)傳導(dǎo)到另外一個(gè)原子上去，所以金剛石的導(dǎo)熱性能也非常好。

除了SP3雜化以外 ，咱們?cè)倏词?。石墨?個(gè)碳原子周圍并不是4個(gè)碳原子，而周圍有3個(gè)碳原子，這種情況怎么解釋呢？科學(xué)家們說這個(gè)叫SP2雜化。SP2雜化的意思是說1個(gè)S軌道和2個(gè)P軌道合到一塊兒，然后分成三份，于是1個(gè)碳原子周圍就有3個(gè)碳原子，形成了這種結(jié)構(gòu)，但它的結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)每一個(gè)碳原子形成了120度角的這么三個(gè)情況

那旁邊另外一個(gè)碳原子，也形成了120度角的這種情況，于是這兩個(gè)碳原子不就連到一塊了

，這個(gè)也是我們剛才說的頭碰頭，叫σ鍵。這個(gè)σ鍵是比較強(qiáng)的，所以石墨在這個(gè)方向上拉伸性能和堅(jiān)韌度都是非常高的。但是我們知道一共有3個(gè)P軌道，你現(xiàn)在給我搞了個(gè)SP2雜化，那就還少了一個(gè)P軌道，這個(gè)P軌道保留了，也就是說這一個(gè)碳原子形成了3個(gè)SP2雜化軌道之后呢？它還保留了一個(gè)單獨(dú)的P軌道，是豎過來的，右邊這個(gè)碳原子也保留了一個(gè)單獨(dú)的P軌道。這兩個(gè)P軌道會(huì)疊到一塊，疊到一塊它們兩個(gè)之間其實(shí)也會(huì)有相互作用，這種相互作用，我們稱為肩并肩。這個(gè)肩并肩的相互作用如果說的這個(gè)更加專業(yè)一點(diǎn)，應(yīng)該叫π鍵。那么這種π鍵會(huì)有什么特點(diǎn)呢？我們知道石墨的導(dǎo)電性能非常好，其實(shí)就是因?yàn)檫@個(gè)π鍵，電子可以在π鍵之間進(jìn)行躍遷，這樣就造成電子運(yùn)動(dòng)的速度非?？欤允┯泻芎脤?dǎo)電性。