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文/观察未来科技
在人肉眼可见的尺度里 ， 镜子是平的 ， 餐桌是平的 ， 道路是平的 ， 湖水也是平的 ， 这种平面 ， 其实就是二维空间 。 而当这尺度缩小至纳米范围或是埃米范围时 ， 所展现出来的“平面”材料 ， 也就是二维材料 。
二维材料与三维材料截然不同 ， 并展现出独特且极具潜力的物理和化学特质 ， 石墨烯就是二维材料最典型的例子 。 当然 ， 从石墨烯开始 ， 二维材料还在陆续发现的过程中 ， 当前 ， 二维材料已经成为一个成员众多、种类繁多的大家族 。 而这些发现 ， 正在带领人们穿越元素周期表 ， 走向一个开放的材料世界 。
从石墨烯开始
在纳米的尺度里 ， 科学家们把材料分成了四类 ， 分别是零维材料、一维材料、二维材料和三维材料 。
零维材料是指电子无法自由运动的材料 ， 如量子点、纳米颗粒与粉末 。 一维材料是指电子仅在一个纳米尺度方向上直线运动 ， 比如 ， 纳米线性结材料、量子线 ， 其中 ， 最具代表的则是碳纳米管 。 三维材料则是指电子可以在三个非纳米尺度上自由运动 ， 如纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒结构 。
就二维材料而言 ， 由于早期关于单原子厚度的薄膜实验以失败告终 ， 科学家原本计划通过蒸发金属生成单原子薄片 ， 结果却得到了球状体 ， 一切似乎都证明二维材料是不可能存在的 ， 直到科学家分离出石墨烯 ， 二维材料才被确认存在 。
石墨烯是在使用铅笔的时候无意中制成的 。 铅笔的主要材料是石墨 ， 而石墨又是碳元素的一种形式 ， 石墨烯则是指单层石墨 。 实际上 ， 科学家更早以前 ， 就知道一种只有单个原子厚的晶体石墨烯 ， 但直到2003年 ， 曼彻斯特大学的两名教授才研究出如何从石墨中得到石墨烯 。 得到石墨烯的方法也很简单 ， 就是用一种透明的胶带把石墨剥离下来 。 他们的论文两次被拒绝 ， 直到2004年发表在《科学》杂志后才被接受 。
石墨烯可能是目前为止世界上最薄的材料——石墨烯是由碳原子构成的六角形蜂巢晶格 ， 并且能吸收2.3%的光 ， 因此 ， 用肉眼就能够看到石墨烯 。 石墨烯的导电性比铜还好 ， 强度则是钢的200倍 ， 但同时又非常柔韧 。 石墨烯的厚度则是人类一根头发的直径的一百万分之一 ， 虽然非常轻 ， 却是迄今为止测试过的最强材料 。
基于对石墨烯的应用 ， 未来 ， 灵巧可折叠、续航更持久、半透明的手机将成为可能；安装了太阳能电池或超级电容器的、能够通信的衣服也将实现；灵活轻便的电池还可以缝在衣服上 。
目前 ， 硅胶等材料能够用于大量储能 ， 但每次充电后电容量就会大大减少 。 然而 ， 如果用氧化石墨烯作为锂离子电池的阳极 ， 电池在两次充电之间的续航时间会更长 ， 而且充电后电容量几乎不会减少 。 石墨烯是已知的导电性最好的材料 ， 石墨烯超级电容器能够释放巨大的能量 ， 并且比传统设备更节约能源 ， 还能减轻汽车或飞机的重量 。 手机等电子设备可以在几秒钟内充电 ， 而不必等几分钟或几小时 ， 这会大大延长其使用寿命 。
作为涂层 ， 石墨烯的惰性很强 ， 可以阻隔氧气和水的侵蚀 。 氧化石墨烯膜在处理液体和气体时形成了完美的屏障 ， 它能有效地把有机溶剂从水中分离出来 ， 并极大地去除混合气体中的水 。 即使是最难阻挡的氦气 ， 这种薄膜也能作为它的屏障 。 并且 ， 在未来的车辆和船舶中 ， 石墨烯可以作为耐腐蚀的镀层材料 ， 因为只要条件适宜 ， 石墨烯可以附着在任何金属表面 。
针对可再生能源的缺点 ， 石墨烯还具有储存风能和太阳能的潜力 。 由于石墨烯具有半透明的属性 ， 或许可以用于制造智能的、非常坚固的窗户 ， 带有虚拟的窗帘或显示投影图像 。 另外 ， 石墨烯还可用于生物医学给药、超灵敏传感器、作物保护——石墨烯具有无限的潜力 。
如今 ， 全世界都在研究石墨烯 。 石墨烯的“颠覆性创新”已经成为材料领域的共识 ， 就像人工智能、3D打印、区块链技术、虚拟现实和机器人一样 ， 石墨烯将将取代现有的技术和材料 ， 开辟新的市场 。 当然 ， 这对于未来材料来说 ， 还远远不够 。
穿越元素周期表
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