石墨烯是什么（石墨烯材质分析）-掘金网

石墨烯到底是什么？为什么会有这么神奇的性质？接下来就给大家介绍一下石墨烯。

我们首先要了解一个概念名字叫做同素异形体。什么叫同素异形体？同素异形体，顾名思义就是同一种元素，但以不同的表现形式存在。我们知道自然界的物质都是由不同的元素构成的，那么有一些物质，它们是有相同的元素构成的，但是它们表现就很不一样，原因是因为分子结构的不同。比如说我们平常呼吸需要用氧气，氧气是由2个氧原子构成的；还有一种叫做臭氧，这个臭氧其实也是由氧原子构成的，只不过它是3个氧原子，那它们两个之间就是同素异形体，而且它们的化学性质很不一样的。比如说氧气是我们所需要的，但是臭氧浓一旦高了，人就会中毒。

理解了同素异形体，接下来就给大家讲讲石墨烯。我们先来说石墨，石墨其实是一种矿物质，比如说我们在这个写字的时候用的铅笔，铅笔芯就是石墨，它比较柔软、比较光滑

，可以用来做润滑剂，这是石墨。然后还可以导电，可以用来做电极。那石墨的结构什么样呢？石墨的结构是分层的，每一层会有一个正六边形，每一个黑色的都是一个碳原子。而我们看到的石墨，其实是很多很多层一层一层堆积起来的，那么在同一层内两个原子之间是靠化学键作用连接在一起，所以比较竖固。但是层之间其实是没有化学键的，它是靠分子的范德华力作用联合在一起的，所以它们两层之间的其实是可以相互滑动的，这就是石墨。

说完了石墨，那石墨烯到底是什么呢？其实很简单，如果我们把石墨中一层拿出来，就构成了石墨烯，也就是说石墨烯其实就是单层石墨，这就是石墨烯的含义。接下来，我们来介绍一下石墨烯的特点。石墨烯这种材料，其实发现的时间并不长。在之前人们一直预言这种东西它是不存在的，那么它是怎么发现的呢？

在2004年的时候英国曼彻斯特大学有两位科学家安德烈·海姆和诺沃肖洛夫他们研究如何获得单层的石墨，结果他们就使用的一种方法“撕胶带”。什么叫撕胶带，就是我们平时写作业的时候写错了，然后我们会用一个胶带粘到这个作业本上，然后把这个胶带撕下来

，就会把那个我们写的笔记就粘下来了，然后我们就可以再接着往上写了。那么他们这种做法其实差不太多，他们做法就是在一个胶带上面，然后粘一块石墨，然后一撕粘，不就有一些石墨痕迹就留在这个胶带上了，然后把这个胶带对折一下，用另一面再去粘一次，这石墨就跑到另一面上去了，然后你再去粘一次，折叠粘贴、折叠粘贴…，把胶带不停的撕，撕了好多好多层，终于就发现了单层的石墨，单层的石墨就是石墨烯。这个世界就震惊了。因为人们认为这个东西以前应该是不存在，它是个二维结构，而我们生活在的是三维空间，不应该存在，结果人家做出来了，不得不承认人家是正确的，后来发现了之后，在2010年的时候，他们两个人就一起获得了诺贝尔奖。

那这种结构它有什么样的特点，为什么造出一个材料就可以得诺贝尔奖呢？首先它是一个二维材料，二维材料意思是说它实际上是一个平面的结构，那么这个平面的厚度非常非常的薄，大概是0.355nm，所以它实际上就是一个单原子层，这一层实际上是一大堆六边形。

我们平常所用的这个石墨，其实都是这些石墨烯叠了很多很多层，有多少层呢？比如我们如果有1mm厚的石墨，1mm厚它其实对应了150万层的石墨烯所以我们想分离出单层的其实是很困难的。

传统科学理论认为二维材料不应该存在，是因为热的涨落会造成破坏这个结构，但事实上，因为石墨烯它两个原子之间的作用力非常强所以它不但可以存在，而且还非常稳定，具有很多的优点，那我们来看一看这个优点是什么？第一个优点就是它的机械强度大；第二个优点就是拉伸性能好；第三个优点就是它的导电性能好；第四个优点就是导热性能好。

所以总而言之，它有很多的优点，比如它还可以透光，它还可以弯曲等等一系列的优点。那么利用这些优点我们就可以用它来做一些特殊的器材，我们来看看可以做哪些器材？第一个机械强度大而且可以拉伸可以做防弹衣；第二个可以做折叠的电子设备；第三个可以用来做电池的添加剂；再比如我们可以用来做计算机芯片，现在计算机CPU它面临的一个问题，就是散热的问题，因为我们把这个计算机的这个功率搞得太大，电路太密集，最后这个热量散不掉，芯片就会烧毁，你用传统的半导体材料硅，就是没有办法再解决了，因为它电阻率就是比较大，现在我们如果使用石墨烯做MOS管、用石墨烯来做芯片的话，导热性能非常好，散热性就很好，而且电阻又比较小。所以这样可能会上百倍的提高我们计算机运行速度，当然这可能还是我们一个比较远的设想，目前为止我们在制作石墨烯这一块其实还是有很大的困难，所以做芯片可能还需要几十年的时间。

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石墨烯还有什么作用呢？它还可以净水，因为石墨烯它是一个平面结构，所以它具有很大的面积体积比，也就是说它的表面积非常非常大，它体积又很小，所以这样一来它就有很大的吸附能力，那么有一些杂质，就可以吸附到这个石墨烯表面，同时我们还可以改变这个石墨烯的一些结构，使得只有水分子能够经过石墨烯，其它的什么那个氯化钠这些物质都不能经过，这样一来我们就可以用它来净化海水。我们还可以用它来做一些生物医疗方面的一些工作，比如说石墨烯具有很好的生物导电性，我们身体的那个各种信号是通过电来进行传导的。那么假如一个人，他具有一些残疾，比如说他眼睛瞎了，那我们现在要安一个假的眼睛，我们怎么把这个假的眼睛感受到的电信号传给这个人呢？科学家们认为用石墨烯做导电材料是非常合适的。

石墨烯为什么具有这些特点，这个是我们化学中要研究的最重要的一个问题。就是为什么它具有这样的特点，这个是由于它的结构组成决定。石墨烯之所以有以上的那些优势完全是由于它的结构所决定的。为了解释这件事儿我们要给大家介绍一个概念就是电子的轨道。我们知道碳是6号元素，中间有原子核，外边有6个电子，这6个电子是分层排布的，其中最内层有2个电子，它是稳定的，外面还有4个电子。这4个电子它是存在一定的轨道了。

说这4个电子是怎么样去运动的呢？人们经过研究发现电子有波粒二象性，所以它不一定在什么位置，我们如果持续的观测就会发现电子存在各个地方的概率不一样，我们把这概率画出来就叫电子云。

那么科学家们经过研究发现第二层的电子轨道，它其实是有两种不同的电子分布情况。

第一种就是一个球体的分布，电子可能在这个球中的某一个位置，这种轨道的我们就称之为S轨道；第二种轨道是它有一个纺锤体的结构，它有可能会在这个纺锤体中的任何一个部位

这种就叫P轨道。但是这个纺锤体是有方向性的，它可以是左右的、前后的、上下的，所以它是有3个P轨道，分别称为Px 、Py和Pz。所以说第二层的轨道一共有4个轨道，分别是S轨道、 Px 、Py、 Pz 。这4个轨道里面每一个轨道可以容纳最多两个自旋相反的电子

，这是根据泡利不相容原理，同一个轨道不能有自旋也相同的电子，所以说一共最多可以容纳8个电子。但是碳是6号元素，所以它外层只有四个电子。那么问题来了这4个电子究竟是取哪个轨道呢？它一共是4个轨道，8种情况？它到底是取哪个轨道呢？

我们来说一下金刚石。金刚石它每1个碳原子周围都有4个碳原子，你取哪种轨道都不可能形成这种完全对称的结构，这个时候我们怎么去解释它。于是科学家们提出一种设想，

说这个像金刚石这种情况，它实际上是S轨道和3个P轨道发生了杂化，这4个轨道合到一块又均分了，变成了4个完全相同的轨道，这种我们称之为SP3杂化。 SP3杂化的意思就是一个S轨道和3个P轨道它们混合到一块，然后一起构成了4个完全相同的轨道。而这4个完全相同的轨道是什么样子的，其实就形成了一个正四面体的情况，那么我们在旁边每一个地方再接一个碳原子，其实这个碳原子也是形成了这种杂化轨道的这两个杂化轨道合到一块，我们称之为头碰头。你的杂化轨道跟我的杂化轨道碰到一块了，我们称之为头碰头。头碰头如果我们说的这个更加专业一点儿它应该叫σ键。碳碳之间的σ键其实是非常强的，所以说就可以把金刚石牢固的结合在一块，金刚石的强度就非常非常大，因为金刚石非常坚硬，所以一旦一个原子振动起来，那这个振动很快就会传导到另外一个原子上去，所以金刚石的导热性能也非常好。

除了SP3杂化以外，咱们再看石墨。石墨它1个碳原子周围并不是4个碳原子，而周围有3个碳原子，这种情况怎么解释呢？科学家们说这个叫SP2杂化。SP2杂化的意思是说1个S轨道和2个P轨道合到一块儿，然后分成三份，于是1个碳原子周围就有3个碳原子，形成了这种结构，但它的结构是一个平面结构每一个碳原子形成了120度角的这么三个情况

那旁边另外一个碳原子，也形成了120度角的这种情况，于是这两个碳原子不就连到一块了

，这个也是我们刚才说的头碰头，叫σ键。这个σ键是比较强的，所以石墨在这个方向上拉伸性能和坚韧度都是非常高的。但是我们知道一共有3个P轨道，你现在给我搞了个SP2杂化，那就还少了一个P轨道，这个P轨道保留了，也就是说这一个碳原子形成了3个SP2杂化轨道之后呢？它还保留了一个单独的P轨道，是竖过来的，右边这个碳原子也保留了一个单独的P轨道。这两个P轨道会叠到一块，叠到一块它们两个之间其实也会有相互作用，这种相互作用，我们称为肩并肩。这个肩并肩的相互作用如果说的这个更加专业一点，应该叫π键。那么这种π键会有什么特点呢？我们知道石墨的导电性能非常好，其实就是因为这个π键，电子可以在π键之间进行跃迁，这样就造成电子运动的速度非常快，所以石墨烯有很好导电性。