出品：科普中國
制作：Dumuzhou 中科院半導體所
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
石墨烯作為一種納米材料經(jīng)常出現(xiàn)在新聞里，它被媒體稱為“新材料之王”，這是言過其實？還是確有其事？
這種“新材料”貌似與我們的距離非常遙遠 。 而實際上，它卻早已出現(xiàn)在生活中，只是沒被我們察覺罷了 。 比如石墨烯口罩已經(jīng)面世，而且其防霧霾效果遠遠優(yōu)于市面上的口罩 。
不同材質口罩的作用
圖片來自：https://m.tb.cn/h.e047XTF
石墨烯有著優(yōu)越的性能
1、是很好的阻隔材料
石墨烯是一種很致密的材料，由于原子和原子之間的距離很近，只有0.142nm，所以它的鍵很短 。 也就是說，包括氫氣、氦氣這么小的分子、原子都沒有辦法穿過它 。 因此它是一種很好的阻隔材料，比表面積可以達到2630平方米每克，面積非常大 。
電鏡下的石墨烯結構
圖片來源http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php?c=Index&a=news_detail&catid=173&id=8687
我們可以利用石墨烯的性質來做一些過濾的材料，在上面開一些我們能控制尺寸的小洞，就可以分離不同的氣體或者是液體 。 比如海水里面的鹽的分離和水、氣分離，空氣中的氧氣跟氮氣的分離或者各種揮發(fā)性有機物之間的分離 。
圖片展示石墨烯如何過濾水中的鹽
圖片來源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=40935
2、力學拉伸強度相當于鋼鐵的一百倍
一種普遍認為的結構式見下圖：
圖片來源：http://www.sohu.com/a/257080200_100193435
我們在學校里學的一直是：二維材料這樣一層原子組成的結構在熱力學上是不穩(wěn)定的，可能會坍塌 。 雖然在二維層面有一個很強的化學鍵連接，但是在層和層之間是一種很弱的化學鍵（這個化學鍵叫范德華力是一種弱連接） 。 就像一張紙有兩個足球場那么大，但它自己無法支撐自己，除非放在什么上面才行 。
但是石墨烯不一樣，石墨烯的力學性質非常之強，它的力學拉伸強度達到130GPa，相當于鋼鐵的一百倍 。 通過理論計算可得，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達到一毫米，它甚至能夠撐起一頭成年大象的重量 。
圖片來源：http://www.xiyujundi.com/news/hangye/63.html
石墨烯的力學性質為何如此強，是因為在每一個碳周圍有三個“鄰居”，這三個“鄰居”形成的碳的鍵非常短、非常強，支撐了石墨烯高強的力學性質 。
圖片來源：https://www.soogif.com/
3、石墨烯的導電性能十分優(yōu)越
理論上講，石墨烯厲害的性質還不止如此，它的電學性質也同樣出色，電子遷移率可以達到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍 。
圖片來源：https://www.smzdm.com/p/11444979/
什么是電子遷移率呢？就是說電子在這種材料里可以跑得多快 。 一個材料的導電性由兩件事情決定，一個是電子在里面跑多快，第二是有多少電子在里面跑 。
晶格結構賦予石墨烯優(yōu)異的導電性能，石墨烯的電子結構可以通過最近鄰法緊束縛模型得到，石墨烯的每一單位晶格有 2 個碳原子，導致其在每個布里淵區(qū)有兩個等價錐形相交點 。
石墨烯能帶結構
圖片來源：維基百科
空穴（又稱電洞，指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現(xiàn)象 。 ）在這些相交點附近的物理行為與狄拉克方程所描述的相對論粒子相似，所以石墨烯中的電子和空穴被稱為「狄拉克費米子」，相交點稱為「狄拉克點」 。
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