想想不起眼的鉛筆。得知這種現在很常見的書寫工具曾一度位居必備高科技產品之首，可能會讓人感到驚訝。事實上，簡單的鉛筆曾經甚至被禁止出口，被視為戰略軍事資產。但可能更出乎意料的是，每次有人用鉛筆劃線時，產生的痕跡都包含著物理學和奈米技術中最熱門的新材料：石墨烯。
石墨烯來自石墨，鉛筆中的“鉛芯”：一種由扁平堆疊的原子層構成的純碳。石墨的分層結構在幾個世紀前就被人們認識到了，因此物理學家和材料科學家自然而然地嘗試將這種礦物分解成其組成片層——即使只是為了研究一種幾何結構可能非常簡潔優雅的物質。石墨烯就是這樣一種片層的名稱。它完全由碳原子組成，這些碳原子以重複的六邊形網路結合在一起，位於一個原子厚的單層平面內。
然而，多年來，所有制造石墨烯的嘗試都以失敗告終。早期最流行的方法是在石墨的原子平面之間插入各種分子，以楔開這些平面——這種技術稱為化學剝離。雖然石墨烯層幾乎肯定在工藝的某個短暫階段從石墨上脫離，但它們從未被識別出來。相反，最終產品通常以石墨顆粒的漿液形式出現——與溼菸灰沒有太大區別。早期對化學剝離的興趣逐漸消退。
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此後不久，實驗人員嘗試了一種更直接的方法。他們透過刮擦或摩擦石墨晶體與其他表面，將石墨晶體分成越來越薄的薄片。儘管這種技術很粗糙，但被稱為微機械剝離的技術效果出奇地好。研究人員成功地剝離了由少於100個原子平面組成的石墨薄膜。例如，到1990年，德國亞琛工業大學的物理學家已經分離出薄到光學透明的石墨薄膜。
十年後，我們中的一位（金），與當時哥倫比亞大學的研究生張遠波合作，改進了微機械剝離方法，創造了一種高科技版的鉛筆——當然是“奈米鉛筆”。用奈米鉛筆“書寫”產生了只有幾十個原子層厚的石墨切片。儘管如此，得到的材料仍然是薄石墨，而不是石墨烯。沒有人真正期望這種材料會在自然界中存在。
這種悲觀的假設在2004年被打破。我們中的一位（蓋姆），與當時的博士後研究員科斯提亞·S·諾沃肖洛夫以及他在英國曼徹斯特大學的同事合作，正在研究各種方法來製造更薄的石墨樣品。當時，大多數實驗室都從菸灰開始進行此類嘗試，但蓋姆和他的同事偶然地從透過蠻力分離石墨後留下的碎片開始。他們只是將一片石墨碎片粘在塑膠膠帶上，將膠帶的粘性面折疊在碎片上，然後將膠帶拉開，將碎片一分為二。隨著實驗人員重複這個過程，得到的碎片變得越來越薄。一旦研究人員得到許多薄碎片，他們就仔細檢查這些碎片——並驚訝地發現有些碎片只有一個原子厚。更出乎意料的是，新發現的石墨烯碎片被證明具有高晶體質量，並且即使在室溫下也具有化學穩定性。
石墨烯的實驗發現引發了國際研究界的廣泛興趣。它不僅是所有可能材料中最薄的，而且極其堅固和剛硬。此外，在其純淨形式下，它在室溫下導電的速度比任何其他物質都快。世界各地實驗室的工程師目前正在仔細研究這種物質，以確定它是否可以製造成超強複合材料、智慧顯示器、超高速電晶體和量子點計算機等產品。
與此同時，原子尺度下石墨烯的特殊性質使物理學家能夠深入研究必須用相對論量子物理學描述的現象。迄今為止，研究這些現象（其中一些是自然界中最奇異的現象）一直是天體物理學家和高能粒子物理學家的專屬領域，他們使用價值數百萬美元的望遠鏡或價值數十億美元的粒子加速器。石墨烯使實驗人員有可能用實驗室臺式裝置測試相對論量子力學的預測。
認識石墨烯家族
考慮到鉛筆在今天的普及程度，似乎令人驚訝的是，被稱為石墨的物質在古代文明（如中國或希臘）中並沒有發揮作用。直到16世紀，英國人才發現了一大片純石墨礦藏，當時被稱為plumbago（拉丁語“鉛礦”）。但它作為標記物的用途立即顯現出來，英國人立即抓緊時間將其製成易於使用的替代羽毛筆和墨水的工具。鉛筆很快在歐洲知識分子中風靡一時。
但直到1779年，瑞典化學家卡爾·舍勒才證明plumbago是碳，而不是鉛。十年後，德國地質學家亞伯拉罕·戈特洛布·維爾納建議，這種物質更恰當地稱為石墨，源自希臘語，意思是“書寫”。與此同時，軍火製造商發現了這種易碎礦物的另一種用途：他們發現它非常適合作為炮彈鑄造模具的襯裡。這種用途成為一項嚴守的軍事秘密。例如，在拿破崙戰爭期間，英國王室禁止向法國出售石墨和鉛筆。
近幾十年來，隨著研究人員探索了普通石墨材料中存在的幾種以前未被認識的碳分子形式的性質和潛在應用，石墨重新獲得了一些曾經崇高的技術地位。其中第一個是足球狀分子，被稱為巴克球，於1985年由美國化學家羅伯特·科爾和理查德·E·斯莫利以及他們的英國同事哈里·克羅託發現。六年後的1991年，日本物理學家飯島澄男發現了蜂窩狀的圓柱形碳原子元件，即碳奈米管。儘管許多研究人員在早年就報道過奈米管，但它們的重要性並未得到重視。這兩種新的分子形式都被歸類為富勒烯。（這個名稱和術語“巴克球”是為了紀念有遠見的美國建築師和工程師巴克敏斯特·富勒而命名的，他在碳形式本身被發現之前就研究過這些形狀。）
分子雞絲網
石墨、富勒烯和石墨烯共享其組成原子的相同基本結構排列。每種結構都以六個碳原子開始，這些碳原子以化學方式緊密結合在一起，形成規則的六邊形——化學家稱之為苯環。
下一個組織層次是石墨烯本身，它是苯環的大型元件，以六邊形片狀連線在一起，類似於雞絲網。其他石墨形式是由石墨烯構建而成的。巴克球和許多其他非管狀富勒烯可以被認為是包裹成原子級球體、細長球體等的石墨烯片。碳奈米管本質上是捲成微小圓柱體的石墨烯片。正如我們前面提到的，石墨是石墨烯片的厚三維堆疊；這些片層透過稱為範德華力的弱吸引分子間力結合在一起。相鄰石墨烯片層之間微弱的耦合使得石墨很容易被分解成微小的薄片，這些薄片構成了人們用鉛筆書寫時留在紙上的痕跡。
事後看來，很明顯，富勒烯儘管直到最近才被注意到，但一直近在咫尺。例如，它們存在於覆蓋每個燒烤架的菸灰中，儘管數量很少。同樣，石墨烯碎片無疑也存在於每個鉛筆痕跡中——儘管它們也長期未被檢測到。但自從它們被發現以來，科學界對所有這些分子都給予了極大的關注。
巴克球主要作為一種全新分子的例子而引人注目，儘管它們也可能具有重要的應用，尤其是在藥物輸送方面。碳奈米管結合了一系列不尋常的特性——化學、電子、機械、光學和熱學特性——這些特性激發了各種各樣的創新潛在應用。這些創新包括可能取代微晶片中矽的材料，以及可能編織成輕質、超強電纜的纖維。儘管石墨烯本身——所有石墨形式的母體——只是在幾年前才成為這些願景的一部分，但似乎這種材料將比其碳同類物提供更多的基本物理學見解和更引人入勝的技術應用。
非凡的例外
石墨烯的兩個特點使其成為一種非凡的材料。首先，儘管它仍然以相對粗糙的方式製造，但石墨烯表現出非常高的質量——這歸因於其碳含量的純度和其碳原子排列成的晶格的有序性的結合。到目前為止，研究人員尚未在石墨烯中發現任何原子缺陷——例如，晶格中某些原子位置的空位或原子錯位。這種完美的晶體有序性似乎源於強大而又高度靈活的原子間鍵，這創造了一種比鑽石更堅硬的物質，但允許平面在施加機械力時彎曲。這種靈活性使得結構能夠在原子必須重新排列以適應應變之前容納大量的變形。
其晶格的質量也是石墨烯具有非常高的導電性的原因。它的電子可以無阻礙地傳輸，而不會被晶格缺陷和外來原子散射出軌道。即使來自周圍碳原子的 jostling，石墨烯中的電子在室溫下必須忍受這種 jostling，也相對較小，因為原子間鍵的強度很高。
石墨烯的第二個非凡特性是，它的傳導電子除了在晶格中基本不受阻礙地傳輸外，移動速度更快，並且似乎比在普通金屬和半導體中游蕩的電子的質量小得多。事實上，石墨烯中的電子——也許“電荷載流子”是一個更合適的術語——是生活在奇異世界中的奇怪生物，在這個世界中，類似於相對論量子力學規則的規則發揮著重要作用。迄今為止，就任何人所知，這種固體內部的相互作用是石墨烯獨有的。由於來自鉛筆的這種新型材料，相對論量子力學不再侷限於宇宙學或高能物理學；它現在已經進入了實驗室。
碳平面世界的宇宙大爆炸
為了理解石墨烯中電荷載流子的奇異行為，將其與普通電子在普通導體中傳輸的方式進行比較可能很有用。構成電流的“自由”電子，例如在金屬中，並不是真正自由的；它們的行為並不完全像在真空中移動的電子。當然，電子帶負電荷，因此當它們在金屬中移動時，會在它們起源的金屬原子中留下電荷虧損。因此，當電子在晶格中移動時，它們會與晶格產生的靜電場相互作用，這些靜電場以複雜的方式推拉它們。最終結果是，移動的電子的行為就像它們具有與普通電子不同的質量一樣——它們所謂的有效質量。物理學家將這種電荷載流子稱為準粒子。
這些帶電的、類電子的粒子在導電金屬中的移動速度遠低於光速。因此，沒有必要將愛因斯坦的相對論理論應用於它們的運動；只有在速度接近光速時，該理論才變得重要。相反，導體中準粒子的相互作用可以用熟悉的牛頓經典物理學或“普通”（即非相對論）量子力學來描述。
當電子穿過石墨烯中碳原子的雞絲網時，它們的行為也好像是一種準粒子。然而，令人驚訝的是，石墨烯中的載流準粒子的行為與電子不太相似。事實上，其最接近的類似物是另一種基本粒子，即幾乎沒有質量的中微子。當然，中微子，按照其名稱，是電中性的（在義大利語中，中微子意味著“小中性粒子”），而石墨烯中的準粒子攜帶與電子相同的電荷。但由於中微子以接近光速的速度傳播，無論其能量或動量如何，都必須用相對論理論來描述它。同樣，石墨烯中的準粒子始終以恆定的高速移動，儘管比光速慢約 300 倍。儘管其速度有所降低，但其行為與中微子的相對論行為非常相似。
石墨烯中準粒子的相對論性質使得普通的非相對論量子力學在描述它們如何運作方面變得無用。物理學家必須在他們的理論庫中尋求更復雜的框架：相對論量子力學，現在被稱為量子電動力學。該理論有其自身的語言，而該語言的核心是英國物理學家保羅·A·M·狄拉克的名字命名的機率方程，他於 1920 年代首次寫下了他的方程。因此，理論家有時將在石墨烯中移動的電子描述為無質量狄拉克準粒子。
來自“虛無”的粒子
不幸的是，解釋量子電動力學從來都不是一帆風順的，總是需要與普通的直覺進行一番搏鬥。人們必須熟悉那些看似自相矛盾的現象，即使永遠無法完全適應。量子電動力學的悖論通常源於以下事實：相對論粒子總是伴隨著它們的反世界分身：反粒子。例如，電子與稱為正電子的反粒子配對。它的質量與電子的質量完全相同，但其電荷為正。粒子-反粒子對可以在相對論條件下出現，因為對於一個極速運動、高能量的物體來說，產生一對“虛粒子”只需花費很少的能量。奇怪的是，該對粒子直接從虛無中出現——從真空中出現。
發生這種情況的原因是量子力學中海森堡不確定性原理的眾多版本之一的推論：粗略地說，事件在時間上被指定的越精確，與該事件相關的能量量就越不精確。因此，在極短的時間尺度上，能量幾乎可以取任何值。由於能量等同於質量，根據愛因斯坦著名的公式E = mc 2，等同於粒子及其反粒子質量的能量可以憑空出現。例如，一個虛電子和一個虛正電子可以突然出現，透過從真空中“借用”能量，只要虛粒子的壽命足夠短，以至於能量虧損在被檢測到之前就被償還。
量子電動力學中真空的有趣活力導致了許多奇特的效應。克萊因悖論就是一個很好的例子。它描述了相對論物體可以透過任何勢能壘的情況，無論勢能壘有多高或多寬。一種熟悉的勢能壘是山谷周圍地形中普通的隆起。一輛卡車離開山谷時，會隨著上坡而獲得勢能，這以發動機燃燒燃料釋放的能量為代價。但是，從山頂上，卡車可以在發動機關閉且變速箱處於空檔的情況下滑下山坡。它透過爬坡獲得的勢能會轉化為卡車向下滾動時的動能。
測試奇異現象
粒子也可以很容易地自己“下坡”，從相對較高的勢能區域移動到相對較低的勢能區域。然而，如果高勢能的“山坡”包圍著能量“山谷”中的粒子，那麼粒子與在真實山谷中汽油耗盡的卡車一樣被困住。對於該結論有一個很大的警告，它發生在普通的非相對論量子力學中。海森堡不確定性原理的第二個版本指出，不可能知道粒子的確切位置。因此，物理學家以機率方式描述粒子的位置。一個奇怪的後果是，即使一個低能量粒子似乎被高勢壘“捕獲”，也存在一些機率，即該粒子稍後會在該勢壘之外被發現。如果確實如此，則其幽靈般的穿過能量勢壘的過程稱為量子隧穿。
在非相對論量子隧穿中，低能量粒子隧穿透過高勢能壘的機率是變化的，但永遠不可能達到 100%。隨著勢壘變得更高更厚，量子隧穿的機率會降低。然而，克萊因悖論完全改變了量子隧穿的特性。它指出，相對論粒子應該以 100% 的機率隧穿透過高能量和廣闊範圍的勢壘區域。在勢壘處，粒子只會與它們的反粒子雙胞胎配對，反粒子雙胞胎以顛倒、亂七八糟的方式體驗世界，在反粒子雙胞胎看來，真實世界的山丘是反粒子山谷。在輕鬆地穿過勢壘的奇特反世界山谷後，反粒子在另一側轉換回粒子並暢通無阻地出現。即使對於許多物理學家來說，量子電動力學的這種預測也顯得非常違反直覺。
如此古怪的預測迫切需要測試，但長期以來，克萊因悖論是否可以被測試，即使在原則上也是如此，仍然不清楚。石墨烯中的無質量狄拉克準粒子現在來拯救了。在石墨烯中，克萊因悖論成為一種常規效應，具有容易觀察到的後果。當載流的無質量狄拉克準粒子在石墨烯晶體中移動時，電壓或勢能差已被施加在石墨烯晶體上，實驗人員可以測量材料的電導率。完美的（100% 機率）隧穿解釋了人們期望從額外的勢壘和邊界獲得的額外電阻的缺乏。研究人員現在正在測量這種隧穿粒子透過不同高度勢壘的流動。物理學家預計，石墨烯還將有助於證明量子電動力學預測的許多其他古怪效應。
二維還是非二維
現在完全評估石墨烯的許多可能的技術應用還為時過早。但是，十多年來對碳奈米管（捲起的石墨烯）的研究為石墨烯提供了巨大的先發優勢。認為為奈米管設想的幾乎每個有用的角色也對它們的扁平表親開放，這並非不合理。高科技產業正在為一些商業應用做計劃，有些已經押注其前景。滿足此類應用的需求將需要在工業規模上生產石墨烯，許多技術研究團隊正在努力開發改進的生產技術。儘管石墨烯粉末已經可以工業量生產，但片狀石墨烯仍然難以製造，目前可能是地球上最昂貴的材料。今天，小於人類頭髮厚度的微機械剝離石墨烯微晶的成本可能超過 1,000 美元。歐洲和美國幾家機構——佐治亞理工學院、加州大學伯克利分校和西北大學等——已經在類似於半導體行業常見的碳化矽晶圓上生長了石墨烯薄膜。
與此同時，世界各地的工程師都在努力利用石墨烯獨有的高度理想的物理和電子特性。例如，其高表面積體積比應使其在製造堅韌的複合材料方面得心應手。石墨烯的極端薄度也可能導致更高效的場發射器——在強電場存在下釋放電子的針狀裝置。
可以透過施加電場來精細調整石墨烯的特性，這可能使其有可能構建改進的超導和所謂的自旋閥電晶體，以及超靈敏的化學探測器。最後，由重疊的石墨烯貼片製成的薄膜在用作液晶顯示器和太陽能電池的透明導電塗層方面顯示出巨大的前景。清單遠非詳盡，但我們預計一些利基應用可能在短短幾年內進入市場。
摩爾定律的喘息之機？
一個工程方向值得特別提及：基於石墨烯的電子產品。我們已經強調，石墨烯中的電荷載流子以高速移動，並且相對較少地將能量損失給散射或與晶格中的原子碰撞。這種特性應該使其有可能構建所謂的彈道電晶體，即超高頻裝置，其響應速度將比現有電晶體快得多。
更誘人的是，石墨烯可能有助於微電子行業延長摩爾定律的壽命。電子工業的先驅戈登·摩爾在約 40 年前指出，可以在給定面積上擠壓的電晶體數量大約每 18 個月翻一番。這種持續小型化的必然終結已經被過早地宣佈了很多次。即使在奈米尺度上，石墨烯的卓越穩定性和導電性也可能使製造單個電晶體成為可能，其尺寸遠小於 10 奈米，甚至可能小到單個苯環。從長遠來看，人們可以設想從單張石墨烯片上雕刻出整個積體電路。
無論未來如何，這種單原子厚的奇妙世界幾乎肯定會在未來幾十年內保持在聚光燈下。工程師將繼續努力將其創新副產品推向市場，物理學家將繼續測試其奇異的量子特性。但真正令人驚訝的是，所有這些豐富性和複雜性都隱藏在幾乎每個普通的鉛筆痕跡中長達數個世紀。