出品：科普中国
制作：Dumuzhou 中科院半导体所
监制：中国科学院计算机网络信息中心
石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里，它被媒体称为“新材料之王”，这是言过其实？还是确有其事？
这种“新材料”貌似与我们的距离非常遥远 。 而实际上，它却早已出现在生活中，只是没被我们察觉罢了 。 比如石墨烯口罩已经面世，而且其防雾霾效果远远优于市面上的口罩 。
不同材质口罩的作用
图片来自：https://m.tb.cn/h.e047XTF
石墨烯有着优越的性能
1、是很好的阻隔材料
石墨烯是一种很致密的材料，由于原子和原子之间的距离很近，只有0.142nm，所以它的键很短 。 也就是说，包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它 。 因此它是一种很好的阻隔材料，比表面积可以达到2630平方米每克，面积非常大 。
电镜下的石墨烯结构
图片来源http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php?c=Index&a=news_detail&catid=173&id=8687
我们可以利用石墨烯的性质来做一些过滤的材料，在上面开一些我们能控制尺寸的小洞，就可以分离不同的气体或者是液体 。 比如海水里面的盐的分离和水、气分离，空气中的氧气跟氮气的分离或者各种挥发性有机物之间的分离 。
图片展示石墨烯如何过滤水中的盐
图片来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=40935
2、力学拉伸强度相当于钢铁的一百倍
一种普遍认为的结构式见下图：
图片来源：http://www.sohu.com/a/257080200_100193435
我们在学校里学的一直是：二维材料这样一层原子组成的结构在热力学上是不稳定的，可能会坍塌 。 虽然在二维层面有一个很强的化学键连接，但是在层和层之间是一种很弱的化学键（这个化学键叫范德华力是一种弱连接） 。 就像一张纸有两个足球场那么大，但它自己无法支撑自己，除非放在什么上面才行 。
但是石墨烯不一样，石墨烯的力学性质非常之强，它的力学拉伸强度达到130GPa，相当于钢铁的一百倍 。 通过理论计算可得，如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米，它甚至能够撑起一头成年大象的重量 。
图片来源：http://www.xiyujundi.com/news/hangye/63.html
石墨烯的力学性质为何如此强，是因为在每一个碳周围有三个“邻居”，这三个“邻居”形成的碳的键非常短、非常强，支撑了石墨烯高强的力学性质 。
图片来源：https://www.soogif.com/
3、石墨烯的导电性能十分优越
理论上讲，石墨烯厉害的性质还不止如此，它的电学性质也同样出色，电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍 。
图片来源：https://www.smzdm.com/p/11444979/
什么是电子迁移率呢？就是说电子在这种材料里可以跑得多快 。 一个材料的导电性由两件事情决定，一个是电子在里面跑多快，第二是有多少电子在里面跑 。
晶格结构赋予石墨烯优异的导电性能，石墨烯的电子结构可以通过最近邻法紧束缚模型得到，石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子，导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点 。
石墨烯能带结构
图片来源：维基百科
空穴（又称电洞，指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象 。 ）在这些相交点附近的物理行为与狄拉克方程所描述的相对论粒子相似，所以石墨烯中的电子和空穴被称为「狄拉克费米子」，相交点称为「狄拉克点」 。
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