縱觀人類社會(huì)的發(fā)展，新型材料的發(fā)現(xiàn)和使用是非常關(guān)鍵和重要的一環(huán)。這也是為什么人類歷史長河中的不少時(shí)期是以當(dāng)時(shí)使用的熱門材料而命名的。250萬年以前，第一批人造的石頭工具在非洲開始出現(xiàn)，一直到距今50000～4000年時(shí)才開始有冶金技術(shù)。因此，考古學(xué)家們將那一段比200萬年更漫長的史前期，稱為“石器時(shí)代”。因?yàn)槟鞘窃缙谌祟愐允�頭作為材料制作工具的年代。當(dāng)然，所謂的石器是廣義的。實(shí)際上，木材、骨頭、貝殼、鹿角及其他天然材料當(dāng)時(shí)也被廣泛地作為工具使用。特別是在石器時(shí)代的后期，黏土等材料被燒制成陶器。所以如果細(xì)分的話，那段短時(shí)期可稱為“陶器時(shí)代”。隨著時(shí)間的推進(jìn)，一系列冶金技術(shù)的發(fā)展和革新，人類又經(jīng)歷了紅銅時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代，后來又有了被技術(shù)革命推動(dòng)的蒸汽時(shí)代、電氣時(shí)代、原子時(shí)代……直到現(xiàn)在，人類正行進(jìn)在以硅材料為主導(dǎo)的信息時(shí)代。

技術(shù)推進(jìn)社會(huì)，材料改變時(shí)代，這是毋庸置疑的。此外，材料的性能對各種應(yīng)用技術(shù)安全的重要性，也是一個(gè)不爭的事實(shí)。人類文明的發(fā)展史，就是如何改進(jìn)和創(chuàng)造更多更好的材料，更合理、更安全地使用材料的歷史。

也許有人還記得1986年美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)爆炸的事故，這場慘劇令包括一名普通女教師在內(nèi)的七名美國宇航員在起飛73秒后便命喪藍(lán)天。之后，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼參與了這次事故調(diào)查，并向公眾演示了一個(gè)簡單的“冰水實(shí)驗(yàn)”。原來，故障背后的物理原因竟是一個(gè)小小的O形墊圈，驚天事故是因材料性質(zhì)變化而起！類似于一個(gè)普通墊圈，使用那個(gè)O形墊圈的目的是為了密封，防止噴氣燃料的熱氣從連接處泄露出來。但由于航天飛機(jī)發(fā)射當(dāng)天的氣溫過低，制環(huán)的橡膠材料在低溫下失去了應(yīng)有的彈性，因此使得其中一個(gè)O形墊圈失效，從而使熾熱的氣體漏出，點(diǎn)燃了外部燃料罐中的燃料，并最后導(dǎo)致一系列爆炸的連鎖反應(yīng)。

在1988年，也曾經(jīng)因?yàn)轱w機(jī)上一個(gè)金屬材料小零件的壽命問題，引發(fā)了從美國夏威夷島希洛國際機(jī)場起飛前往檀香山的波音737客機(jī)機(jī)身產(chǎn)生裂縫，險(xiǎn)些釀成巨大空難。

材料的重要性，從100多年來頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)中也可見一斑。諾貝爾獎(jiǎng)得主中，因發(fā)現(xiàn)和研究材料而得獎(jiǎng)之人，占據(jù)了不小的比例。能信手拈來的便有以下幾個(gè)。

肖克利、布拉頓、巴丁三位美國物理學(xué)家，因研究半導(dǎo)體并發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)，共同分享了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，人類社會(huì)從此開啟了“硅時(shí)代”。引領(lǐng)科技潮流幾十年的計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)中必不可少的集成電路，便是建立在半導(dǎo)體硅材料的基礎(chǔ)之上。

美國人安德森、范弗萊克和英國人莫特，因?qū)Υ判院蜔o序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性研究，共同分享了1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。安德森研究非晶態(tài)物質(zhì)，創(chuàng)立了凝聚態(tài)物理的局域化理論，使新超導(dǎo)材料等大展宏圖；范弗萊克等對抗磁性和順磁性物質(zhì)研究做出重大貢獻(xiàn)；莫特則研究過渡金屬等固體材料。

德國化學(xué)家施陶丁格提出的“大分子”概念，推動(dòng)了塑料、合成橡膠、合成纖維等工業(yè)的蓬勃發(fā)展。施陶丁格也因此榮獲1953年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。如今，高分子合成材料與金屬材料、無機(jī)非金屬材料并列構(gòu)成材料世界重要的三大類別。

1996年，英國人克羅托及另兩名美國科學(xué)家柯爾和斯莫利，因發(fā)現(xiàn)碳元素的新形式——富勒烯C60而獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

本書將要介紹的材料——石墨烯，其發(fā)現(xiàn)者榮獲了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也是近年來材料研究與諾貝爾獎(jiǎng)掛鉤的著名例子。英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫兩位教授在石墨烯材料方面進(jìn)行的卓越研究，開啟了新型納米材料研究應(yīng)用的大門，使石墨烯及更多的納米材料成為近年來備受關(guān)注的研究課題。石墨烯具有很多優(yōu)異特性，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高比表面積和優(yōu)異的機(jī)械性能等，在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。因此，此類研究熱潮至今未衰。

如今的材料學(xué)是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域，涉及物質(zhì)的性質(zhì)及其應(yīng)用。隨著近年來納米科學(xué)和納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，材料學(xué)被推到了高科技的前沿。

納米技術(shù)又是什么呢？就大小而言，它指的是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。實(shí)際上，納米技術(shù)的目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品，是一種操作和使用單個(gè)原子、分子來構(gòu)造物質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

納米技術(shù)的想法最早來自美國物理學(xué)家理查德·菲利普斯·費(fèi)曼。早在1959年，費(fèi)曼就天才地預(yù)言，如果我們能夠從單個(gè)的分子甚至原子開始進(jìn)行組裝和控制以達(dá)到人類的要求的話，這將會(huì)極大地?cái)U(kuò)充人類獲得物性的范圍。這便是納米技術(shù)靈感的來源。

如今，各種新材料多到令人眼花繚亂、目不暇接。而下一個(gè)量子時(shí)代哪種材料將嶄露頭角并成為主要的物質(zhì)載體呢？有人認(rèn)為很可能是石墨烯。

石墨烯在大小和結(jié)構(gòu)上屬于二維納米材料，盡管可以說它的小規(guī)模“碎片”原本就天然存在于石墨中，但是對它的深入研究和應(yīng)用卻離不了納米技術(shù)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)大大促進(jìn)了納米材料合成技術(shù)的發(fā)展，并且石墨烯涉及的物理理論深?yuàn)W，牽扯的應(yīng)用前景可觀。對它的研發(fā)，能夠加速新材料在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其原理涉及量子理論、狹義相對論及數(shù)學(xué)中的拓?fù)鋵W(xué)。因此可以說，石墨烯是來自象牙塔的新材料，它不僅是材料學(xué)家的寵兒，在工程應(yīng)用方面也大有用武之地，理論上還可能幫助人們對量子理論進(jìn)行深入探究，撥開其中的層層迷霧，為理論物理學(xué)的發(fā)展和突破做出貢獻(xiàn)。

但是，有關(guān)石墨烯的性質(zhì)和理論研究，多出現(xiàn)在高檔次雜志及專業(yè)書籍中。對公眾而言，大多數(shù)是知其然而不知其所以然。有關(guān)石墨烯的應(yīng)用，媒體報(bào)道中也不乏炒作夸大之詞，給公眾造成許多混淆和疑惑。

那么，石墨烯到底是什么？它有何神奇之處？與其相關(guān)的物理原理和應(yīng)用前景究竟如何？有關(guān)石墨烯的書籍中，專業(yè)的太專業(yè)，一般科普的又過淺顯，市場需要一本能夠以通俗的語言，深入淺出地為公眾解釋這種新材料，還其物理本質(zhì)的科普讀物，這便是本書寫作的宗旨。

我們希望本書可填補(bǔ)專業(yè)書籍與淺科普書籍的間隙。通過閱讀本書，既能使廣大讀者增長科學(xué)知識(shí)，又能激發(fā)年輕人對物理學(xué)及材料科學(xué)的興趣，引領(lǐng)他們邁進(jìn)科學(xué)技術(shù)的大門。此外，與石墨烯有關(guān)的技術(shù)應(yīng)用不僅需要材料的更新，更重要的是原理上的提升。因此，本書也將使得各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的研究開發(fā)人員受益，幫助他們廣開思路，獲得啟發(fā)，并將這種新材料進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大，造福人類。

作為歷史回顧，在本書的第一講中，我們通過石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程，為讀者講述有關(guān)研究者們饒有趣味且頗具傳奇色彩的科研故事。接著的第二講，則簡要介紹理解石墨烯物理必不可少的一些量子力學(xué)知識(shí)和術(shù)語。為了更形象地認(rèn)識(shí)石墨烯所涉及的微觀世界，在第三講中，借用幾種石墨烯研究中常用的實(shí)驗(yàn)檢測方法，給讀者描繪出一幅原子及亞原子世界的直觀圖。

石墨烯的特殊性質(zhì)，來源于它的二維晶體結(jié)構(gòu)。特別是其電子輸運(yùn)性能，與其能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此我們需要懂得一點(diǎn)固體物理及能帶論的知識(shí)，這是第四講的內(nèi)容。第五講簡單解釋石墨烯能帶狄拉克錐的相對論特性。第六講則從普及和趣味的角度，介紹石墨烯與拓?fù)鋵W(xué)的關(guān)系。

“石墨烯”一詞的原意，指的是具有單層原子結(jié)構(gòu)的二維晶體。因此，本書前半部分的理論以及對這種新材料神奇性能和特點(diǎn)的解讀，基本上都是針對理想結(jié)構(gòu)的石墨烯而言。然而，現(xiàn)實(shí)中制備出來并得以應(yīng)用的石墨烯材料，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)有別于這種理想晶體。因此，在第七、第八講中，也淺談石墨烯的制備方法，并對得到的各種派生材料及其應(yīng)用前景做了一些簡短地概括和介紹。

書中實(shí)例豐富、解釋通俗、表述流暢、寓意深刻，既宜淺閱也可深讀，盡量做到滿足各個(gè)教育水平層次的讀者的閱讀興趣。本書涉獵的知識(shí)范圍廣泛，既有量子、拓?fù)湟活惖募兛茖W(xué)，又有與材料相關(guān)的工程技術(shù)。希望能將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的許多領(lǐng)域，包括物理學(xué)和數(shù)學(xué)中的一些基礎(chǔ)理論以及多種應(yīng)用技術(shù)，通過神奇的石墨烯而串聯(lián)到一起。

張?zhí)烊?/p>

2019年12月