引自朱宏偉的部落格
2010 年10月4日，諾貝爾物理學獎揭曉，獲獎者是英國曼徹斯特大學物理與天文系的Andre Geim和Konstantin Novoselov，獲獎理由為“二維空間材料石墨烯（graphene）方面的開創性實驗”。從2004年石墨烯被成功剝離[1]至2010年斬獲諾貝爾獎，是什麼魔力讓這一看似“普通”的碳材料在短短的6年時間內締造了一個傳奇神話？而回眸看其同族兄弟奈米碳管，自1991年被發現至今近20年，歷經風雨，幾經沉浮，不過是“為他人做嫁衣”。
石墨烯即為“單層石墨片”，是構成石墨的基本結構單元；而奈米碳管是由石墨烯捲曲而成的圓筒結構（圖1）。作為一維（1D）和二維（2D）奈米材料的代表者，二者在結構和性能上具有互補性。從結構上來看，奈米碳管是碳的一維晶體結構；而石墨烯僅由單碳原子層構成，是真正意義上的二維晶體結構。從性能上來看，石墨烯具有可與奈米碳管相媲美或更優異的特性，例如高電導率和熱導率、高載流子遷移率、自由的電子移動空間、高強度和剛度等。網上大多溢美這詞：“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”，“Material of the Future”，“A thoroughbred that has to be tamed”，“Electron superhighway”，...。目前，關於奈米碳管的研究，無論在製備技術、性能表徵及應用探索等方面都已經達到了一定的深度和廣度。組成及結構上的緊密聯繫，使二者在研究方法上具有許多相通之處。事實上，很多針對石墨烯的研究最開始都是受到奈米碳管相關研究的啟發而開展起來的。
圖1 石墨烯與奈米碳管
石墨烯的發展歷程與奈米碳管極為類似。在奈米碳管被發現之前，碳的晶體結構主要有三種：石墨、金剛石和富勒烯（以C60為代表[2]）。當時，對於碳纖維（已工業化應用）和碳奈米纖維都已經有了很充分的研究；在奈米碳管被發現[3]之後，人們開始關注奈米碳管與碳奈米纖維之間的異同。從表面上看，在晶體結構上，碳奈米纖維的晶化程度相對較差，缺陷較多，石墨層片排列不連續，直徑較大，並不真正屬於碳的晶體結構，或者僅算是石墨的一種衍生物。如果單從這一點來看，奈米碳管的出現似乎僅是碳奈米纖維的一個延伸。因此，很有一些人並不把奈米碳管的發現歸功於Sumio Iijima。事實上，奈米碳管的發現意義體現在人類觀念的更新，標誌著對碳晶體結構（甚至整個碳範式）有了更為深入的認識，是本質上邁進的一大步。尤其是單壁奈米碳管、雙壁和薄壁奈米碳管的可控合成為充分認識奈米碳管的性能奠定了堅實的實驗基礎。值得一提的是，一些製備奈米碳管的方法大都借鑒自碳奈米纖維（如化學氣相沉積法）。在一些早期研究中，對碳奈米纖維和奈米碳管的區分並不十分嚴格。對比石墨烯與奈米碳管（圖2），可顯見類似的發展軌跡。在石墨烯在實驗上被發現之前，一些微小石墨晶粒、晶須或石墨層片（層數較多）就已經被合成出來並被廣泛研究。膨脹石墨也是基於剝離石墨的理念，相關技術發展純熟，工業化應用已久。同單壁、雙壁、薄壁奈米碳管之間的關係類似，除了嚴格意義上的石墨烯(單層)外，雙層和少數層石墨層片在結構和性能上也都明顯區別於塊體石墨，在廣義上也被歸為石墨烯的範疇。
圖2 石墨烯與奈米碳管的發展歷程
雖然石墨烯與奈米碳管有著類似的前生，卻很可能擁有不一樣的未來。原因有多方面，但最終可歸結為一維材料與二維材料之爭。奈米線、奈米管在同薄膜材料的較量中往往處於劣勢。以奈米碳管為例，單根奈米碳管可被視作一根具有高長徑比的單晶，但目前的合成和組裝技術還無法獲得具有宏觀尺寸的奈米碳管晶體（將在後文中詳述），從而限制了奈米碳管的應用。石墨烯的優勢在於本身即為二維晶體結構，具有幾項破紀錄的性能（強度、導電、導熱），可實現大面積連續生長，將Bottom-up和Top-down結合起來，未來應用前景光明。另外，石墨烯是“量變引起質變”哲學思想的典型範例。石墨烯更受物理學家的青睞，是進行科學實驗、解決科學問題的理想平臺，這也是促成其本次獲獎的主要因素。奈米碳管地位尷尬，不可能給物理獎，給個化學獎也不太像，何況已有C60在先。
後注：石墨烯作為石墨（及後來的奈米碳管）的基本結構單元在理論上已被研究長達60餘年[4]。在Geim和Novoselov的工作之前，薄層石墨已有多處報導。例如，哥倫比亞大學（Columbia University）的Philip Kim[5]和德州大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的Rodney Rouff[6]（當時在Washington University）都曾對石墨剝離薄層石墨片進行過研究，很可惜未得到單層石墨烯。
參考文獻：
[1] K. S. Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666.
[2] H. W. Kroto, et al. Nature, 1985, 318, 162.
[3] S. Iijima. Nature, 1991, 354, 56.
[4] P. R. Wallace. Physical Review, 1947, 71, 622.
[5] A. K. Geim, P. Kim. Scientific American, 2008, 4, 90.
[6] X. K. Lu, et al. Nanotechnology, 1999, 10, 269; Applied Physics Letters, 1999, 75, 193.
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