石墨烯介绍.doc

获奖者2010年10月5日，2010年诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的研究。
　 PPT1安德烈·海姆， 1958年10月出生于俄罗斯，拥有荷兰国籍，父母为德国人。1987年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位。他于2001年加入曼彻斯特大学，现任物理学教授和纳米科技中心主任。之前拥有此荣誉头衔的人包括卢瑟福爵士，卢瑟福于1907-1919年在曼彻斯特大学工作。
他至今发表了超过150篇的文章，其中有发表在自然和科学杂志上的。他获得的奖项包括2007年的Mott Prize和2008年的 Europhysics Prize。2010年成为皇家学会350周年纪念荣誉研究教授。
　　在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”——通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。10年后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。
　　2010年医学奖：荷兰的两位科学家发现哮喘症可用过山车治疗。
　　 和平奖：英国研究人员证实诅咒可以减轻疼痛。
PPT2康斯坦丁·诺沃肖洛夫，1974年出生于俄罗斯，具有英国和俄罗斯双重国籍。2004年在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。是安德烈·海姆的博士生。
曼彻斯特大学目前任教的诺贝尔奖得主人数增加到4名，获得诺贝尔奖的历史总人数为25位。
发现
石墨属于混晶，为片层结构，层内由共价键相连，层间由分子间作用力相连。共价键是比较牢固的，但分子间作用力（范德华力）小得多。因此，石墨的单层是牢固的，而层间作用力很小，极易脱落。
2004年，他们发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。
结构
PPT3，4石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米（一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。
石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。
碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。
单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。其实这是一种习惯命名。烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。同样，前几年流行的C60，C70等被称为富勒烯也是这个原因。
特性
1．稳定性
石墨烯结构稳定：石墨烯中碳原子均由共价键相连，共价键的键能是相对比较高的，相对于分子间作用力、氢键、金属键等，共价键不易被破坏。由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键，其C—C键的强度要高于金刚石的单键，我们也可以从热力学的角度看到石墨的熔点为3850℃左右，金刚石的熔点仅为3550℃左右，不难发现，石墨比金刚石更加稳定。
2．导电性
PPT5面心立方堆积（铜），六方堆积（镁），体心立方堆积（钾）
金属的导电机理：金属是金属阳离子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里，金属是通过自由电子的定向移动来导电的。但金属键是不牢固的，例如金属的延展性就是原子层发生平移的结果。所以，金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷，破坏了金属的规则的晶体结构，当电子经过这些缺陷时，就容易发生散射等现象，降低了电子定向移动的速度，影响了导电性。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。
石墨烯的导电机理：由于石墨烯所有原子均参与了离域，所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共价单键的稳定性，石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换，保证了大π键的完整性，电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰，得以高速传导，因此石墨烯有着超强的导电性。
3. 透明性与不透明性
由于石墨烯是单薄片状态的，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，当几个石墨烯分子层叠加在一起时，由于碳原子核排列有序（就像检阅场上的方队那样），光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。
尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。
4.机械特性
石墨烯之所以硬，是因为碳原子或的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的，就是说，石墨烯表面上立的或排列的都是原子核，如果外部物质与它撞击，撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上，所以，石墨烯表面显示的非常硬。PPT6
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度是钢铁的100倍以上。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了研究。选取一些石墨烯微粒将这些样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们可承受的最大压力达到了大约2.9微牛。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其穿破。用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。
应用
一．储氢材料
氢气是一种清洁高效的新能源，然而氢气的储运难题一直制约着这种它的发展和推广。一定的条件下，储氢材料吸附氢气量和其比表面积成正比。石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点。
希腊大学设计了新型3D 碳材料,孔径尺寸可调,他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子或钙原子后储氢量是镧镍金属化合物的436倍和581倍，载氢能力的差距十分明显。
这些研究结果体现了石墨烯在能源方面应用的光明前景。

二．代替硅生产超级计算机
根据半导体业著名的摩尔定律（由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出），PPT7芯片的集成度（集成电路上可容纳的晶体管数目）每18个月提高一倍，即加工线宽缩小一半。但是硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律寿命的发展道路已逐渐接近终点。
然而，石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续，电子能在石墨烯平面上的迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料制造新型超高速计算机芯片，广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前，海姆领导的小组已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管，还在研制由单原子组成的晶体管。IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯场效晶体管(FET)，可在26GHz频率下运作。该公司研究人员预测，碳元素更高的电子迁移率，可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。在将来由石墨烯构成的全碳电路将广泛应用于人们的日常生活中。

三．太阳能集热材料
小尺寸效应，当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积却显著增加。
事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。（葡萄糖溶液，氨水，硝酸银溶液，不要晃动试管，否则只会看到黑色沉淀，铁粉还原硝酸银）
超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。

四．太空梯
由于石墨烯中碳碳原子主要以共价单键的形式连接，具有极强的机械性能，强度在钢铁的200倍以上。那么这么坚硬的东西可以用在哪里呢?
前不久我国刚刚发射了嫦娥二号探月卫星，是搭载在长征系列火箭上发射升空的。火箭的发射虽然只有短短的数分钟的时间，却耗费着大量的人力物力，成本及其高昂。因此人们一直以来都在寻找一种更为廉价的太空探索方案。于是，一种名为“太空梯”的方案进入了人们的视线。
英国科幻作家阿瑟·克拉克在他的科幻作品《太空的喷泉》中提到了太空梯。 PPT8
阿瑟·克拉克（1917-2008）是英国及斯里兰卡著名科幻作家，科普作家，同时也是一位科学家，以及国际通讯卫星的奠基人，与阿西莫夫、海因莱因并称“二十世纪三大最伟大的科幻小说家”。
PPT9，10
1917年生于英格兰，幼时就喜欢仰望星空和阅读美国科幻杂志
1934年加入英国星际协会
1941年进入英国皇家空军服役，担任雷达技师，参与预警雷达防御系统的研制，它为英国皇家空军在不列颠之战中获胜做出了贡献。战争结束以后进入伦敦的国王学院深造，攻读物理学和数学，并以优异成绩毕业，1948年获物理学学士。
1947年至1950年担任英国星际协会主席。
1949年至1951年担任《科学文摘》的助理编辑。
1950年起克拉克开始创作科幻作品。他以“太阳风”为题材的科幻作品《太阳帆船》曾引起美国国家宇航局的注意，并因此而关注这一领域的研究
1952年克拉克成为全职作家，投入科幻创作。
1964年与库布里克共同构思《2001太空漫游》的小说和剧本。
1968年电影《2001太空漫游》上映，小说也以同年出版。
1973年出版《拉玛任务》。
1974年《拉玛任务》获星云、雨果、约翰坎贝尔奖。
1986年荣获象征终身成就的星云科幻大师奖。成立阿瑟克拉克奖，颁给英国出版的最佳科幻小说。
1995年获NASA“杰出公共服务奖”。
　 2000年受封英国爵士
2001年探测火星矿物的宇宙飞船被命名为“2001火星奥德赛”。
2008年3月19日于病床上逝世，享年90岁。
阿瑟-克拉克的葬礼上奏响了根据他的作品改编的影片《2001太空漫游》PPT的主题音乐。他的墓碑上刻着：“这里躺着阿瑟-克拉克，他永远不会长大，从来没有停止过成长。”
克拉克在其创作当中，还善于积累有关科学文化方面的经验，并以“定律”的方式加以总结，其中较有代表性的被称为“克拉克基本定律”。 PPT11
★定律一：如果一个年高德劭的杰出科学家说，某件事情是可能的，那他可能是正确的；但如果他说，某件事情是不可能的，那他也许是非常错误的；
★定律二：要发现某件事情是否可能的界限，唯一的途径是跨越这个界限，从不可能跑到可能中去； 　　
★定律三：任何非常先进的技术，初看都与魔法无异。
★附注：克拉克定律一的例子：
◆我根本不相信会有热气球以外的飞行航空器出现。1897年（凯尔文勋爵，英物理学家，热力学权威） 　　
◆飞机是种不错的玩具，可惜没有半点军事价值。1911年（福煦，法国陆军元帅，军事战略家，第一次世界大战指挥官。） 　　
◆孩子，你无法依赖弹吉他为生。1954年，约翰列侬的姑妈对列侬讲的话。 　　
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克拉克的主要科幻作品有： 《童年的终结》（1953） 《城市和星星》（1956） 《2001年：太空探险》（1968） 《与蛇发女怪相见》（1971） 《与拉玛相会》（1973） 《帝国的土地》（1975） 天堂的喷泉》(1979) 《乐园之泉》（1986） 《大浅滩的鬼》（1990） 《不只一个宇宙：克拉克小说集》（1991）

八大预言PPT13
太空梯 千年虫 太空卫士 通讯卫星 太空核动力 预防地震 大脑备份 人体冷冻术
阿瑟·克拉克最早在其1979年小说《天堂的喷泉》中提到了这一概念，书中，工程师们在一个虚幻小岛的峰顶建了一个太空梯。他在1981年的技术性论文《太空梯：想象实验还是宇宙钥匙？》中进一步完善了这些概念。
他说：“如果空间的物体能够保持与地面的相对静止，那么为什么不能从这个物体上方下一条缆索，用它把宇宙连结起来。”
太空梯通常指的是从地球表面延伸到对地同步轨道的位置，帮助完成在太空进行的建造项目，用于发射卫星和太空旅行的人造装置。PPT14
那么，既然要制造太空梯，用什么来建呢？它的材料需要达到怎样的要求呢？
我们把天梯简化为一条具有均匀的横截面积和质量分布，两端均无约束的长线，依靠地球重力绕地球相同角速度的圆周运动。由虚功原理可算出：
L=140000km;
即理想状态下天梯的长度为14万千米。接着我们来讨论天梯的建筑材料：

这个张力与线密度之比的数值远大于我们熟知的材料（例如钢为3106,碳为210），而石墨烯，前面提到过，强度在钢的200倍以上，可以达到6107以上，因此可以说制造天梯从原理上是完全可行的。
美宇航局早就拥有一个太空梯研究项目，近几年对碳纳米管的研究进一步提高了开发高强度缆绳的成功率，高强度缆绳能将太空船与地面连在一起，这也是之前研究人员面临的重大挑战之一。过去三年，“升降梯：2010”项目甚至举办了一个太空梯设计大赛，向帮助开发这一技术的个人或组织提供50万美元的奖励。

如果你对石墨烯产生了兴趣的话，不妨也可以尝试着DIY一下。其实很简单，只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可以了，当然还要加上足够的耐心。就可以像教授一样开始在科学世界中的探索了。
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