縱觀人類社會的發(fā)展，新型材料的發(fā)現(xiàn)和使用是非常關(guān)鍵和重要的一環(huán)。這也是為什么人類歷史長河中的不少時期是以當(dāng)時使用的熱門材料而命名的。250萬年以前，第一批人造的石頭工具在非洲開始出現(xiàn)，一直到距今50000～4000年時才開始有冶金技術(shù)。因此，考古學(xué)家們將那一段比200萬年更漫長的史前期，稱為“石器時代”。因為那是早期人類以石頭作為材料制作工具的年代。當(dāng)然，所謂的石器是廣義的。實際上，木材、骨頭、貝殼、鹿角及其他天然材料當(dāng)時也被廣泛地作為工具使用。特別是在石器時代的后期，黏土等材料被燒制成陶器。所以如果細分的話，那段短時期可稱為“陶器時代”。隨著時間的推進，一系列冶金技術(shù)的發(fā)展和革新，人類又經(jīng)歷了紅銅時代、青銅時代、鐵器時代，后來又有了被技術(shù)革命推動的蒸汽時代、電氣時代、原子時代……直到現(xiàn)在，人類正行進在以硅材料為主導(dǎo)的信息時代。

技術(shù)推進社會，材料改變時代，這是毋庸置疑的。此外，材料的性能對各種應(yīng)用技術(shù)安全的重要性，也是一個不爭的事實。人類文明的發(fā)展史，就是如何改進和創(chuàng)造更多更好的材料，更合理、更安全地使用材料的歷史。

也許有人還記得1986年美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機爆炸的事故，這場慘劇令包括一名普通女教師在內(nèi)的七名美國宇航員在起飛73秒后便命喪藍天。之后，著名物理學(xué)家理查德·費曼參與了這次事故調(diào)查，并向公眾演示了一個簡單的“冰水實驗”。原來，故障背后的物理原因竟是一個小小的O形墊圈，驚天事故是因材料性質(zhì)變化而起！類似于一個普通墊圈，使用那個O形墊圈的目的是為了密封，防止噴氣燃料的熱氣從連接處泄露出來。但由于航天飛機發(fā)射當(dāng)天的氣溫過低，制環(huán)的橡膠材料在低溫下失去了應(yīng)有的彈性，因此使得其中一個O形墊圈失效，從而使熾熱的氣體漏出，點燃了外部燃料罐中的燃料，并最后導(dǎo)致一系列爆炸的連鎖反應(yīng)。

在1988年，也曾經(jīng)因為飛機上一個金屬材料小零件的壽命問題，引發(fā)了從美國夏威夷島希洛國際機場起飛前往檀香山的波音737客機機身產(chǎn)生裂縫，險些釀成巨大空難。

材料的重要性，從100多年來頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎中也可見一斑。諾貝爾獎得主中，因發(fā)現(xiàn)和研究材料而得獎之人，占據(jù)了不小的比例。能信手拈來的便有以下幾個。

肖克利、布拉頓、巴丁三位美國物理學(xué)家，因研究半導(dǎo)體并發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)，共同分享了1956年諾貝爾物理學(xué)獎，人類社會從此開啟了“硅時代”。引領(lǐng)科技潮流幾十年的計算機和信息技術(shù)中必不可少的集成電路，便是建立在半導(dǎo)體硅材料的基礎(chǔ)之上。

美國人安德森、范弗萊克和英國人莫特，因?qū)Υ判院蜔o序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性研究，共同分享了1977年諾貝爾物理學(xué)獎。安德森研究非晶態(tài)物質(zhì)，創(chuàng)立了凝聚態(tài)物理的局域化理論，使新超導(dǎo)材料等大展宏圖；范弗萊克等對抗磁性和順磁性物質(zhì)研究做出重大貢獻；莫特則研究過渡金屬等固體材料。

德國化學(xué)家施陶丁格提出的“大分子”概念，推動了塑料、合成橡膠、合成纖維等工業(yè)的蓬勃發(fā)展。施陶丁格也因此榮獲1953年諾貝爾化學(xué)獎。如今，高分子合成材料與金屬材料、無機非金屬材料并列構(gòu)成材料世界重要的三大類別。

1996年，英國人克羅托及另兩名美國科學(xué)家柯爾和斯莫利，因發(fā)現(xiàn)碳元素的新形式——富勒烯C60而獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎。

本書將要介紹的材料——石墨烯，其發(fā)現(xiàn)者榮獲了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎，也是近年來材料研究與諾貝爾獎掛鉤的著名例子。英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫兩位教授在石墨烯材料方面進行的卓越研究，開啟了新型納米材料研究應(yīng)用的大門，使石墨烯及更多的納米材料成為近年來備受關(guān)注的研究課題。石墨烯具有很多優(yōu)異特性，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高比表面積和優(yōu)異的機械性能等，在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。因此，此類研究熱潮至今未衰。

如今的材料學(xué)是一個多學(xué)科領(lǐng)域，涉及物質(zhì)的性質(zhì)及其應(yīng)用。隨著近年來納米科學(xué)和納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，材料學(xué)被推到了高科技的前沿。

納米技術(shù)又是什么呢？就大小而言，它指的是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。實際上，納米技術(shù)的目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品，是一種操作和使用單個原子、分子來構(gòu)造物質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

納米技術(shù)的想法最早來自美國物理學(xué)家理查德·菲利普斯·費曼。早在1959年，費曼就天才地預(yù)言，如果我們能夠從單個的分子甚至原子開始進行組裝和控制以達到人類的要求的話，這將會極大地擴充人類獲得物性的范圍。這便是納米技術(shù)靈感的來源。

如今，各種新材料多到令人眼花繚亂、目不暇接。而下一個量子時代哪種材料將嶄露頭角并成為主要的物質(zhì)載體呢？有人認(rèn)為很可能是石墨烯。

石墨烯在大小和結(jié)構(gòu)上屬于二維納米材料，盡管可以說它的小規(guī)�！八槠�”原本就天然存在于石墨中，但是對它的深入研究和應(yīng)用卻離不了納米技術(shù)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)大大促進了納米材料合成技術(shù)的發(fā)展，并且石墨烯涉及的物理理論深奧，牽扯的應(yīng)用前景可觀。對它的研發(fā)，能夠加速新材料在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其原理涉及量子理論、狹義相對論及數(shù)學(xué)中的拓?fù)鋵W(xué)。因此可以說，石墨烯是來自象牙塔的新材料，它不僅是材料學(xué)家的寵兒，在工程應(yīng)用方面也大有用武之地，理論上還可能幫助人們對量子理論進行深入探究，撥開其中的層層迷霧，為理論物理學(xué)的發(fā)展和突破做出貢獻。

但是，有關(guān)石墨烯的性質(zhì)和理論研究，多出現(xiàn)在高檔次雜志及專業(yè)書籍中。對公眾而言，大多數(shù)是知其然而不知其所以然。有關(guān)石墨烯的應(yīng)用，媒體報道中也不乏炒作夸大之詞，給公眾造成許多混淆和疑惑。

那么，石墨烯到底是什么？它有何神奇之處？與其相關(guān)的物理原理和應(yīng)用前景究竟如何？有關(guān)石墨烯的書籍中，專業(yè)的太專業(yè)，一般科普的又過淺顯，市場需要一本能夠以通俗的語言，深入淺出地為公眾解釋這種新材料，還其物理本質(zhì)的科普讀物，這便是本書寫作的宗旨。

我們希望本書可填補專業(yè)書籍與淺科普書籍的間隙。通過閱讀本書，既能使廣大讀者增長科學(xué)知識，又能激發(fā)年輕人對物理學(xué)及材料科學(xué)的興趣，引領(lǐng)他們邁進科學(xué)技術(shù)的大門。此外，與石墨烯有關(guān)的技術(shù)應(yīng)用不僅需要材料的更新，更重要的是原理上的提升。因此，本書也將使得各個相關(guān)領(lǐng)域的研究開發(fā)人員受益，幫助他們廣開思路，獲得啟發(fā)，并將這種新材料進一步發(fā)揚光大，造福人類。

作為歷史回顧，在本書的第一講中，我們通過石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程，為讀者講述有關(guān)研究者們饒有趣味且頗具傳奇色彩的科研故事。接著的第二講，則簡要介紹理解石墨烯物理必不可少的一些量子力學(xué)知識和術(shù)語。為了更形象地認(rèn)識石墨烯所涉及的微觀世界，在第三講中，借用幾種石墨烯研究中常用的實驗檢測方法，給讀者描繪出一幅原子及亞原子世界的直觀圖。

石墨烯的特殊性質(zhì)，來源于它的二維晶體結(jié)構(gòu)。特別是其電子輸運性能，與其能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此我們需要懂得一點固體物理及能帶論的知識，這是第四講的內(nèi)容。第五講簡單解釋石墨烯能帶狄拉克錐的相對論特性。第六講則從普及和趣味的角度，介紹石墨烯與拓?fù)鋵W(xué)的關(guān)系。

“石墨烯”一詞的原意，指的是具有單層原子結(jié)構(gòu)的二維晶體。因此，本書前半部分的理論以及對這種新材料神奇性能和特點的解讀，基本上都是針對理想結(jié)構(gòu)的石墨烯而言。然而，現(xiàn)實中制備出來并得以應(yīng)用的石墨烯材料，卻遠遠有別于這種理想晶體。因此，在第七、第八講中，也淺談石墨烯的制備方法，并對得到的各種派生材料及其應(yīng)用前景做了一些簡短地概括和介紹。

書中實例豐富、解釋通俗、表述流暢、寓意深刻，既宜淺閱也可深讀，盡量做到滿足各個教育水平層次的讀者的閱讀興趣。本書涉獵的知識范圍廣泛，既有量子、拓?fù)湟活惖募兛茖W(xué)，又有與材料相關(guān)的工程技術(shù)。希望能將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的許多領(lǐng)域，包括物理學(xué)和數(shù)學(xué)中的一些基礎(chǔ)理論以及多種應(yīng)用技術(shù)，通過神奇的石墨烯而串聯(lián)到一起。

張?zhí)烊?/p>

2019年12月