下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
从分子学角度来看，石墨烯（graphene）是由碳原子紧密堆积构成的二维晶体材料，其最基本的重复单元是有机化学中最稳定的苯环结构，碳原子以sp 2 杂化轨道组成六角形蜂巢晶格。石墨烯仅有一个碳原子厚度（0.335nm），是目前为止最薄的二维纳米材料。
石墨烯和我们日常所提及的石墨（graphite）有着密切的联系。石墨是由石墨烯层层叠加形成的，层间以分子间作用力（范德瓦耳斯力）相连，1mm厚的石墨大约包含300万层石墨烯。当把石墨剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层材料就是石墨烯（图1-1）。
图1-1
（a）石墨烯的基本结构；（b）石墨的基本结构
虽然石墨烯作为新材料的概念在最近十几年才进入人们的视野，但石墨烯不是新的物质，它在宇宙和自然界中早就存在。研究发现，石墨烯、金刚石等碳材料可能是宇宙中最古老的矿物，是目前已知太阳系诞生之前的12种矿物之一。科学家在陨石中发现石墨烯以石墨的形式与铁矿和硅酸盐矿物共存，在部分陨铁中也可发现微小石墨晶体。2011年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）加州理工学院斯皮策科学中心研究团队利用斯皮策太空望远镜（Spitzer space telescope,SST）在太空中发现了石墨烯的特征谱，这是人类首次在银河中发现石墨烯存在的迹象。同时，研究团队也在同一区域发现了石墨烯的同素异形体——富勒烯（C 60 ）的分子红外光谱。这标志着宇宙中存在石墨烯、C 60 等碳基物质。图1-2为NASA发表的太空石墨烯结构图。天文学家推测，垂死的恒星所产生的冲击波在分解含氢的碳颗粒时产生了石墨烯、C 60 等含碳物质。当超新星爆炸时或在恒星生命后期，研究人员在其外层形成的行星云中发现了石墨烯光谱信号，这表明石墨烯、C 60 等含碳物质在太阳系形成之前即已形成。
图1-2 NASA发表的太空石墨烯结构图
这些不同领域关于石墨烯及其他碳材料的研究进展，不仅展示了石墨烯作为新材料对人类文明的贡献，而且表明了其在宇宙起源和生命起源研究中所代表的重要角色。