石墨烯到底是什么？為什么會有這么神奇性質(zhì)？

石墨烯到底是什么？為什么會有這么神奇的性質(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，原因是因為分子結(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個氧原子構(gòu)成的；還有一種叫做臭氧，這個臭氧其實也是由氧原子構(gòu)成的，只不過它是3個氧原子，那它們兩個之間就是同素異形體，而且它們的化學性質(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，石墨其實是一種礦物質(zhì)，比如說我們在這個寫字的時候用的鉛筆，鉛筆芯就是石墨，它比較柔軟、比較光滑

，可以用來做潤滑劑，這是石墨。然后還可以導電，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，每一層會有一個正六邊形，每一個黑色的都是一個碳原子。而我們看到的石墨，其實是很多很多層一層一層堆積起來的，那么在同一層內(nèi)兩個原子之間是靠化學鍵作用連接在一起，所以比較豎固。但是層之間其實是沒有化學鍵的，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是可以相互滑動的，這就是石墨。

說完了石墨，那石墨烯到底是什么呢？其實很簡單，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。石墨烯這種材料，其實發(fā)現(xiàn)的時間并不長。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年的時候英國曼徹斯特大學有兩位科學家安德烈·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，就是我們平時寫作業(yè)的時候?qū)戝e了，然后我們會用一個膠帶粘到這個作業(yè)本上，然后把這個膠帶撕下來

，就會把那個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差不太多，他們做法就是在一個膠帶上面，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膠帶上了，然后把這個膠帶對折一下，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。這個世界就震驚了。因為人們認為這個東西以前應(yīng)該是不存在，它是個二維結(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，不得不承認人家是正確的，后來發(fā)現(xiàn)了之后，在2010年的時候，他們兩個人就一起獲得了諾貝爾獎。

那這種結(jié)構(gòu)它有什么樣的特點，為什么造出一個材料就可以得諾貝爾獎呢？首先它是一個二維材料，二維材料意思是說它實際上是一個平面的結(jié)構(gòu)，那么這個平面的厚度非常非常的薄，大概是0.355nm，所以它實際上就是一個單原子層，這一層實際上是一大堆六邊形。

我們平常所用的這個石墨，其實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厚它其實對應(yīng)了150萬層的石墨烯所以我們想分離出單層的其實是很困難的。

傳統(tǒng)科學理論認為二維材料不應(yīng)該存在，是因為熱的漲落會造成破壞這個結(jié)構(gòu)，但事實上， 因為石墨烯它兩個原子之間的作用力非常強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，那我們來看一看這個優(yōu)點是什么？第一個優(yōu)點就是它的機械強度大；第二個優(yōu)點就是拉伸性能好；第三個優(yōu)點就是它的導電性能好；第四個優(yōu)點就是導熱性能好。

所以總而言之，它有很多的優(yōu)點，比如它還可以透光，它還可以彎曲等等一系列的優(yōu)點。那么利用這些優(yōu)點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？第一個機械強度大而且可以拉伸可以做防彈衣；第二個可以做折疊的電子設(shè)備；第三個可以用來做電池的添加劑；再比如我們可以用來做計算機芯片，現(xiàn)在計算機CPU它面臨的一個問題，就是散熱的問題，因為我們把這個計算機的這個功率搞得太大，電路太密集 ，最后這個熱量散不掉，芯片就會燒毀，你用傳統(tǒng)的半導體材料硅， 就是沒有辦法再解決了，因為它電阻率就是比較大，現(xiàn)在我們?nèi)绻褂檬┳鯩OS管、用石墨烯來做芯片的話 ，導熱性能非常好，散熱性就很好，而且電阻又比較小 。所以這樣可能會上百倍的提高我們計算機運行速度，當然這可能還是我們一個比較遠的設(shè)想，目前為止 我們在制作石墨烯這一塊其實還是有很大的困難，所以做芯片可能還需要幾十年的時間。

石墨烯還有什么作用呢？它還可以凈水，因為石墨烯它是一個平面結(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)，就可以吸附到這個石墨烯表面，同時我們還可以改變這個石墨烯的一些結(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電性，我們身體的那個各種信號是通過電來進行傳導的。那么假如一個人，他具有一些殘疾，比如說他眼睛瞎了，那我們現(xiàn)在要安一個假的眼睛，我們怎么把這個假的眼睛感受到的電信號傳給這個人呢？科學家們認為用石墨烯做導電材料是非常合適的。

石墨烯為什么具有這些特點，這個是我們化學中要研究的最重要的一個問題。就是為什么它具有這樣的特點，這個是由于它的結(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概念就是電子的軌道。我們知道碳是6號元素，中間有原子核，外邊有6個電子，這6個電子是分層排布的，其中最內(nèi)層有2個電子，它是穩(wěn)定的，外面還有4個電子。這4個電子它是存在一定的軌道了。

說這4個電子是怎么樣去運動的呢？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)的觀測就會發(fā)現(xiàn)電子存在各個地方的概率不一樣，我們把這概率畫出來就叫電子云。

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

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

這種就叫P軌道。但是這個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個軌道，分別是S軌道、 Px 、Py、 Pz 。這4個軌道里面每一個軌道可以容納最多兩個自旋相反的電子

，這是根據(jù)泡利不相容原理，同一個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個電子。但是碳是6號元素，所以它外層只有四個電子。那么問題來了這4個電子究竟是取哪個軌道呢？它一共是4個軌道 ，8種情況？它到底是取哪個軌道呢？

我們來說一下金剛石。金剛石它每1個碳原子周圍都有4個碳原子，你取哪種軌道都不可能形成這種完全對稱的結(jié)構(gòu)，這個時候我們怎么去解釋它。于是科學家們提出一種設(shè)想，

說這個像金剛石這種情況，它實際上是S軌道和3個P軌道發(fā)生了雜化，這4個軌道合到一塊又均分了，變成了4個完全相同的軌道，這種我們稱之為SP3雜化。 SP3雜化的意思就是一個S軌道和3個P軌道它們混合到一塊，然后一起構(gòu)成了4個完全相同的軌道。而這4個完全相同的軌道是什么樣子的，其實就形成了一個正四面體的情況，那么我們在旁邊每一個地方再接一個碳原子，其實這個碳原子也是形成了這種雜化軌道的這兩個雜化軌道合到一塊，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更加專業(yè)一點兒它應(yīng)該叫σ鍵。碳碳之間的σ鍵其實是非常強的，所以說就可以把金剛石牢固的結(jié)合在一塊，金剛石的強度就非常非常大，因為金剛石非常堅硬，所以一旦一個原子振動起來，那這個振動很快就會傳導到另外一個原子上去，所以金剛石的導熱性能也非常好。

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

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

，這個也是我們剛才說的頭碰頭，叫σ鍵。這個σ鍵是比較強的，所以石墨在這個方向上拉伸性能和堅韌度都是非常高的。但是我們知道一共有3個P軌道，你現(xiàn)在給我搞了個SP2雜化，那就還少了一個P軌道，這個P軌道保留了，也就是說這一個碳原子形成了3個SP2雜化軌道之后呢？它還保留了一個單獨的P軌道，是豎過來的，右邊這個碳原子也保留了一個單獨的P軌道。這兩個P軌道會疊到一塊，疊到一塊它們兩個之間其實也會有相互作用，這種相互作用，我們稱為肩并肩。這個肩并肩的相互作用如果說的這個更加專業(yè)一點，應(yīng)該叫π鍵。那么這種π鍵會有什么特點呢？我們知道石墨的導電性能非常好，其實就是因為這個π鍵，電子可以在π鍵之間進行躍遷，這樣就造成電子運動的速度非?？?，所以石墨烯有很好導電性。