石墨烯的第一千零一个可能

投稿来源：陈根

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。它们在功能上是二维的，因为通过它们移动的电子只能向前/向后和侧向移动，而不能在上面和下面移动，这就使得石墨烯的导电性能非常好。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是由于其结构特殊，难以剥离出单层结构。石墨烯从本质上而言，就是一层层叠起来的石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。我们平时使用的铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

石墨烯因为具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

石墨烯从发现至今，一直是新材料领域重点研究的方向。最近，麻省理工学院的研究人员发现，在“扭曲”的石墨烯结构中出现了一种特别奇怪的图案，现在他们对它进行了更仔细的研究，发现它的层数越多，效果越好。这两篇论文均发表在《自然》杂志上。

早在2018年，麻省理工学院的一个团队就发现，当其中两层石墨烯层稍稍歪斜地堆叠在一起时，会发生一些不可思议的事情。通过将顶层扭曲到1.1度的 “魔力角”，双层结构可以在成为电绝缘体和超导体之间突然发生转变。

而在最近两项新的研究中，该团队进一步对这些扭曲的双层石墨烯结构进行了更仔细的研究。在第一项研究中，该团队测试了不同角度的影响，使用一种精确到可以测量到0.002度的角度差异的扫描技术。该团队发现，当角度范围卡在接近1.1度时，奇怪的绝缘和超导特性更加明显。这些效应似乎在角度范围较大的堆栈中会减弱。

也就是说该团队通过对石墨烯材料结构的继续扭曲，一点点的扭曲变化可以让石墨烯显示出超导和其他奇特的物理现象。但到底能扭曲多大的角度，目前还在研究过程中，包括不同扭曲变化所带来的变化与所产生的降解效应。

而这次最重要的一个发现在于，之前我们都熟知石墨烯具有良好的导电性能，在这次研究中，研究人员进行了更多层的实验。当他们将四层石墨烯堆叠在一起，并将其扭曲到神奇的角度时，其结构就像两层的版本一样，变成了绝缘体。但这一次，研究小组能够利用电场来微调绝缘能力，这在以前是不可能实现的。

尽管目前这项技术还在研究中，但这次的突破和发现让我们看到了石墨烯的另外一种可能——绝缘能力。集超导与绝缘于一身的石墨烯材料，在不久的将来将会给整个科技产业带来巨大的变化和更多的可能。