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童話故事常常偏愛“3”：寶藏通常藏在第3個箱子里，名利雙收的也往往是第3個孩子。3新型碳材料中發現最晚的一種——石墨烯(graphene)，沒準兒也能繼承這種幸運。科學家于1985年首次發現了足球形狀的富勒烯（fullerenes），接下來又在1991年首次觀察到了空心圓柱狀的碳納米管，但這兩種材料對工業界的影響至今仍相當有限。但石墨烯，這種僅一個原子厚的單層碳材料，前途似乎非常光明。不得不提的一大征兆就是，關于石墨烯性質的開創性實驗，以驚人的速度摘取了2010年諾貝爾物理學獎。

新科諾貝爾獎得主、英國曼徹斯特大學的安德烈-海姆( Andre Geim)和康斯坦丁-諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov)首次報道用膠帶從石墨薄片上剝離得到僅有原子厚度的石墨烯片層，距今只有短短6年。但是，這種本質上就是碳納米管展開攤平的材料，已經展現出了不可思議的性質。單層石墨烯是世界上最薄、最強、最堅硬的材料，還具備極佳的導熱性和導電性。

隨著眾多公司競相針對它的優良性能進行市場化開發，石墨烯獲得了媒體的關注。2010年，大約有3000篇研究論文和超過400項專利申請以石墨烯為主題。韓國計劃投資3億美元用于石墨烯的商業化，包括IBM、三星在內的許多公司都在開發石墨烯電子器件——這種超小、超快的器件有朝一日可能取代硅芯片。對石墨烯的宣傳可謂天花亂墜，以至于對它不甚了解的人或許會奇怪，為什么它還沒有征服技術應用領域。

童話故事畢竟不是現實。石墨烯的幾位“前輩”也經歷過幾乎相同的夸大宣傳。然而，富勒烯至今幾乎找不到任何實際應用。碳納米管的情形稍好一些，但它生產成本高昂，而且難以控制。它們被工業界漸漸遺忘是一個很好的教訓，讓我們知道新材料的商業化是一件多么困難的事。

然而，在碳納米管的故事中，有幾段還是挺鼓舞人心的。盡管高科技的電子學應用在多年后才可能實現，但一種科技含量低得多的應用——用于儲能元件或觸摸屏的碳納米管導電薄膜，距離商業化已經很近了。另一個相對簡單的應用——用于飛機和汽車的碳納米管強化復合材料，也將很快面市。碳納米管生產商預感到了需求量的增長，已經把生產規模擴大到每年數百噸。

研究者認為，石墨烯擁有和碳納米管類似的用途，但是石墨烯在生產和加工的某些關鍵方面相比碳納米管優勢明顯，它還從20年來的碳納米管研究工作中獲益匪淺。這種“后見之明”使得石墨烯生產商更清楚哪類應用值得追求，還對如何避免碳納米管在頭十年中遭遇到的失敗開端有了更明智的見解。

碳的樂園

 碳納米管和石墨烯共有的優異性質來源于它們相同的結構——碳原子按蜂窩狀圖案排列而威的單原子厚的網格。極強的碳一碳鍵保證了高得驚人的強度重量比(strength-to-weight ratio)。

石墨烯強度極大，假設存在一張由完美的石墨烯制成的吊床，面積為1平方米，它可以承受住1只4千克重的貓。而吊床自身的重量是0.77毫克，比貓的一根胡須還輕，而且我們用肉眼無法看見這張吊床。

上述兩種碳納米材料里的碳原子在六邊形晶格結構中都呈對稱排布，使得它們的導電性遠遠超過了計算機芯片使用的硅材料。這也意味著它們的電阻要比硅低得多，因而產生的熱量也低得多。

此外，碳材料結構上哪怕出現微小的變化，也會創造出大量新的性質。對石墨烯來說，電子學性能取決于片層的尺寸、晶格上是否存在缺陷，以及缺陷是否位于導電表面上。類似地，通過改變碳納米管的直徑、長度和“扭曲度”（六邊形的邊與納米管方向之間的角度），一個特定的結構可以被制成半導體型或者金屬型。單根納米管和內部有多層柱體相互嵌套的所謂多壁納米管也存在差異。

這些特性很早就讓研究者看到了顛覆電于學應用的希望。他們也的確取得了巨大進步——但僅限于實驗室中。1998年，物理學家展示了使用一個單根半導體型碳納米管制成的晶體管。2007年，研究人員報道臺成了基于碳納米管的晶體管收音機。

但若要實現這類電路的工業化量產，就會遇到一個棘手的問題：如何克服碳納米管的易變性。碳納米管大多在反應器中生產，反應器中的催化劑會引導富含碳的蒸氣組成納米管。產物通常是多壁和單壁、半導體型和金屬型、以及各種長度和直徑的納米管的大雜燴，每種納米管的電子學性質都不盡相同。“多樣性是美妙的，但當你的研究對象過于多樣化，就成了一個令人頭痛的問題，”美國伊利諾伊大學香檳分校的物理化學家約翰·羅杰斯( John Rogers)說。

研究人員直到最近5年才找出了區分半導體型和金屬型碳納米管的方法。但是要在芯片上安裝特定的納米管，并把分離的納米管連接起來，同時還要不影響它們的性能．存在更大的困難。因此大多物理學家都認定，碳納米管取代硅是不現實的。費宗-阿武里斯（Phaedon Avouris）是美國IBM托馬斯·J·沃森研究中心的研究員，致力干納米尺度上電子學研究，他說：“一塊集成電路肯定要涉及數十億個相同的碳納米管晶體管，所有晶體管都要在完全相同的電壓上工作。”就目前的技術來說，這是不可行的。

石墨烯可以讓我們樂觀一點。目前最優質的石墨烯片層是通過在真空中加熱碳化硅薄片制備的，這種方法會在容器頂部表面留下一層純凈的石墨烯。相比臺成碳納米管的方法，這種方法制出的每批樣品之聞不可控變數較少，平面片層也比納米管更大，更易于處理。

然而石墨烯也存在問題。單個石墨烯片層傳導電荷的能力非常強，以至于電流很難被截斷。如果要用石墨烯制造數碼設備上像開關一樣控制電流通斷的晶體管，這是一個必須解決的問題。一種改變材料電子學性質的合適方法是制造出“帶隙”，也就是電子能級上的間斷——從本質上說，就是將它轉變為半導體。這樣就必須把片層切割成很薄的帶狀。阿武里斯說，這個方法也許比在芯片上布置數十億個納米管要簡單一些．但目前的商業化技術仍然無法做到這一點。

工藝上的挑戰預示著石墨烯不會很快取代硅片。“每年都有數百萬人力和數萬億美元投入到硅電子學的研發中，”美國得克薩斯州休斯敦市萊斯大學專攻納米技術的有機化學家詹姆斯-圖爾(James Tour)評論說，“讓石墨烯去跟硅競爭，就像是讓學了6年鋼琴課的10歲小孩在音樂會上登臺演奏。”

相比之下，碳納米結構在要求相對較低的電子學領域可能更有競爭力——比如為觸摸顯示屏或太陽能電池的透明電極提供導電平面薄膜。成束的不同類型碳納米管也許就是以為這類電極提供導電支持，使用比碳化硅工藝更廉價的方法制備昀“劣質”石墨烯或許也能達到要求。