老有人认为,这几年没有出现新的理论,是“物理学已死”的表现。被物理学家视为大一统理论的继承者的“弦理论”过于晦涩难懂,质疑声不绝于耳,但它也恰好代表了物理学没有停止过发展,它是前进的。爱因斯坦在70年前预言了引力波,多年以后我们才探测到了引力波信号,可见相对论具有前瞻性。
理论物理的发展还是要和科学家的思维联系在一起,其他的要和新发现联系在一起,我们以石墨烯为例,它是21世纪人类最重要的发现和应用之一。年的时候,就有科学家宣称石墨烯是材料领域的未来,过去了十几年的时间,石墨烯似乎已经消失匿迹了,这是怎么回事?
黑金石墨烯
科学家是在实验室中发现石墨烯的,他们改变了石墨的分子结构图,人为制造出了石墨烯。实际上在自然界中,也能找到石墨烯的踪影,它和石墨是一体的。两者紧密粘合在了一起,导致石墨烯难以被单独分离出来。那石墨烯常见到什么程度呢?科学家举了一个例子。
用铅笔在纸上画出一个实心的圆,反复涂抹,表面上的一层就是石墨烯。对材料学有了解的朋友应该知道,之前的科学家并不清楚单个原子层厚度的材料是否存在,甚至有些科学家断言凝聚态理论是不允许这种情况存在的。直到科学家发现是范德华力将材料层结合在一起,它带来的结合力并不强大。
能够被外力拆解开来,按照这一思路,石墨烯在外力的介入下是有可能被分离的。年,来自英国的两位物理学家成功分离出了石墨烯,厚度为单个石墨原子层。材料物理领域正式进入了单个原子层厚度的时代,有人做出了预言,说未来会出现石墨烯电池,石墨烯材料将渗透进生活的方方面面。
石墨烯的强度
石墨的强度不高,为何从石墨上面分离出来的石墨烯拥有那么高的强度?以至于它能运用到各个领域。金刚石也是碳原子构成的,两者有没有相似之处?问题的关键在于碳原子的排列方式,平面层状排列的强度远远比不上立体网状结构,石墨烯和金刚石都是后者。
在材料界,立体网状结构的稳定性和强度得到了科学家们的一致认可,只有这样的材料才能应用于更多领域。我们在制造航空航天领域的工具时,需要大量使用高强度的材料,确保它不会被宇宙射线瓦解,石墨烯无疑是应运而生的材料,强度超过了金刚石。
为何没有普及
从分离石墨烯到现在,已经过去14年了,科学家们的预言一个也没有实现,这是为何?归根结底,石墨烯被重视的原因在于应用范围广阔,几乎是所有领域都能用到它。据了解,石墨储备量在15亿吨左右,而中国就有接近10亿吨的储备量。地球上超过6成的石墨都在中国,这么高的储备量却没有被使用。
科学家的预测还是乐观了,石墨烯的高昂生产成本注定了它无法被大规模量产。而且现如今对石墨烯应用展开的实验,都还在初级阶段,仅凭如今的成果就推动石墨烯取代其他材料,是不现实的。我们还需要时间,单个原子层厚度的材料被应用,本来就不是件容易的事。短短14年的时间,我们做不了什么,突破性的成果还要再等50年。