在科幻電影《速度與激情6》中，影片中的賽車不斷與橋墩相撞，但相互高速碰撞后，汽車的車身也不會(huì)變形。這說明什么呢？這說明影片中的賽車全是改裝車，堅(jiān)固的車身上很可能被加覆了一種力學(xué)性能特別好的材料，那么這可能是什么材料呢？理論上可以用石墨烯給汽車貼膜來實(shí)現(xiàn)這種性能。

什么東西比鋼鐵還硬100倍？

答案是石墨烯，這個(gè)東西在股票市場也是一個(gè)最新的新潮流概念，所以能引起大小莊家的不段炒作，不少散戶也對此進(jìn)行了跟風(fēng)研究。為什么可以炒作這個(gè)概念？這是因?yàn)槭┎牧嫌性S多良好的性質(zhì)，比如電阻很小，透光性好——可以覆蓋在手機(jī)或者平板電腦的觸摸屏上。而且這個(gè)新材料的強(qiáng)度是最優(yōu)質(zhì)的鋼鐵的強(qiáng)度的100倍。正因?yàn)橛腥绱说母邚?qiáng)度，所以有科學(xué)家建議做一個(gè)太空繩梯，將月球與地球用這種碳材料連接起來。在劉慈欣的科幻小說《三體》中，也有用納米絲切割輪船的描述，這種納米材料應(yīng)該也有類似于本文提到的石墨烯那樣具有高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)——它叫作碳納米管，是石墨烯的堂兄。

石墨烯的平面晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本單元是六邊形

那么，這個(gè)高強(qiáng)度是怎么產(chǎn)生的呢？我們知道，金屬是由原子組成的，原子與原子之間存在相互吸引的力，這個(gè)力由金屬鍵產(chǎn)生。而石墨烯是由非金屬原子——也就是碳原子組成的。最早是在2004年，英國的諾沃肖羅夫教授和蓋姆教授就首次分離出石墨烯。他們利用膠帶剝離石墨上的薄層，之后將其放在硅片上并借助原子力顯微鏡進(jìn)行觀察并進(jìn)行確認(rèn)。

一片石墨烯能夠承受相當(dāng)于一頭大象的重量。計(jì)算結(jié)果顯示，如果一頭大象站在鉛筆的末端才能憑借體重刺破石墨烯薄膜——石墨烯是由碳原子間的通過共價(jià)鍵聯(lián)系起來的二維薄膜，它的鍵能夠達(dá)到每摩爾357千焦，厚度為0.35納米，因此其強(qiáng)度能達(dá)到鋼的100倍。

每摩爾357千焦的意思是說，想要打破一摩爾的石墨烯膜片，需要357千焦的能量。我們知道，一個(gè)成年人的質(zhì)量大約是50千克，在地球上的重力是500牛頓，如果將這個(gè)成年人提高1米，所需要的能量是500焦?fàn)枴Ｒ虼?57千焦的能量可以把這個(gè)人提高到357000/500=714米。實(shí)際上，這個(gè)高度已經(jīng)接近世界第一高樓——828米高的迪拜塔了。

另外值得一提的是，對于化學(xué)鍵能的計(jì)算需要用到量子化學(xué)的知識，一般需要用計(jì)算機(jī)來模擬計(jì)算，靠人力是很難算出來的。用這種高強(qiáng)度的二維材料通過貼膜的方式覆蓋到車身上，那么當(dāng)汽車以高速撞上橋墩的時(shí)候，其結(jié)局只有一個(gè)，那就是這輛車沒有變形，但橋墩裂開了。

石墨烯為什么能夠存在？

石墨烯其實(shí)就在我們身邊，在鉛筆劃痕中就有石墨烯，當(dāng)你用鉛筆在紙上書寫時(shí)，鉛筆痕中就很可能有數(shù)十層甚至上百層石墨烯。大家都知道，鉛筆是有石墨加粘土制成的。石墨含量越多，字跡就越黑，6B鉛筆芯是由80%石墨加20%粘土制成，字跡越黑表示字跡中石墨烯的層數(shù)也就更多。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)教授蓋姆的研究小組，用機(jī)械剝離的簡單方法第一次得到并觀測到自由且穩(wěn)定存在的單原子層的石墨，證明了二維單原子層薄膜材料不但存在，而且可以制備出來，單層石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度，即只有0.335納米，這一厚度約為頭發(fā)的20萬分之一。但事情的發(fā)展并不一帆風(fēng)順，早在上世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道等物理學(xué)家認(rèn)為，任何準(zhǔn)二維晶體中的原子由于其本身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，將偏離晶格位置，導(dǎo)致在有限溫度下都不可能穩(wěn)定存在。

這個(gè)關(guān)于熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在的定理就像孫悟空頭上的緊箍咒，束縛了物理學(xué)家們的思維，使物理學(xué)家從此相信，要想制造出二維原子系統(tǒng)是不可能的事情。二維是一個(gè)很神奇的維度，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，我們可以證明，在二維空間是沒有電磁波的，因?yàn)辂溈怂鬼f方程中的旋度算只能在三維空間內(nèi)定義。類似的結(jié)論還有，在二維空間是不可能存在湍流的。

因此，當(dāng)蓋姆的研究小組制造出來了單原子層的石墨(這里的關(guān)鍵詞是“單層”，也就是只有一個(gè)原子直徑的厚度的一層薄膜)時(shí)，理論界不得不找尋新的解釋。與之前的理論可以相符的解釋是，當(dāng)這些二維晶體在從三維體材料上剝離出來時(shí)，退滅到亞穩(wěn)態(tài)上，而它們較小的尺寸(≤1mm)和原子間強(qiáng)烈的作用力使熱擾動(dòng)不足以產(chǎn)生晶格位錯(cuò)和缺陷。另外，剝離出的二維晶體在第三維度上通過輕微的褶皺(褶皺的橫向尺度為10nm)保持自身的穩(wěn)定：褶皺提高了彈性能量，抑制了熱擾動(dòng)，在一定溫度下可以將總自由能最小化?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，石墨烯能夠在室溫下的三維空間穩(wěn)定存在是因?yàn)樵訉邮⒉皇瞧戒佋诨?，而是?huì)形成水紋狀，這類似于我國浙江省千湖島狀的坑的結(jié)構(gòu)。雖然石墨烯膜的厚度小，只含有單層碳原子，但是它們特別穩(wěn)定。

石墨烯能夠用于車身改裝嗎？

大約在1998年，有一個(gè)概念非?；馃?，那就是足球烯。這是一個(gè)像足球一樣的籠子的結(jié)構(gòu)，其中有60個(gè)碳原子在空間排列。這是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，它在當(dāng)年被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候震驚了整個(gè)世界。我們甚至可以通過數(shù)學(xué)領(lǐng)域的歐拉定理，算出這個(gè)足球烯上應(yīng)該有多少個(gè)五邊形，以及有多少個(gè)六邊形。足球烯是一個(gè)籠子，所以很多科學(xué)家可以用這個(gè)籠子來囚禁其他離子，從而束縛住離子的熱運(yùn)動(dòng)——也就是離子冷卻。但是，這個(gè)囚禁離子的技術(shù)只屬于學(xué)院派，對于民間的應(yīng)用需求來說，足球烯還很遙遠(yuǎn)。

基于同樣道理，石墨烯是一種二維材料，這個(gè)材料真的能應(yīng)用到車身改裝嗎？如果真的可以，那么這會(huì)是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，因?yàn)槠嚵闩浼袌鍪且粋€(gè)3000億美元級別的大市場。

我們從A股市場也可以看出，現(xiàn)在有石墨烯概念股不少，比如中泰化學(xué)(002092.SZ)、中國寶安(000009.SZ)、銀基發(fā)展(000511.SZ)、力合股份(000532.SZ)、金路集團(tuán)(000510.SZ)、江海股份(002484.SZ)、中航三鑫(002163.SZ)、南都電源(300068.SZ)和方大碳素(600516.SH)。但目前還沒有見到石墨烯可以被用于車身改裝的報(bào)道，其原因何在呢？

雖然大家都知道，只有一個(gè)碳原子厚度的石墨烯，其硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高，而且有很好的韌性，可以發(fā)生一定程度的彎曲，這個(gè)材料如果用到汽車上絕對是天作之合。如果要覆蓋汽車的車身，需要多少石墨烯呢？石墨烯的厚度超薄，一克石墨烯被展開分布后就有2500平方米的面積。一輛家用小轎車的表面積大概是5平方米，因此將其車身鋪滿只需要2微克石墨烯，這樣的用量是極少的，那為什么我們的汽車表面還未被覆蓋上一層石墨烯呢？

原因就在于，一般的石墨烯的薄膜，顧客可以承受的價(jià)格是每平方米5000元到5萬元這個(gè)區(qū)間。但實(shí)際上，每小塊薄膜都只有大約幾平方厘米那么大——也就是普通手機(jī)屏幕那么大。在這個(gè)成本區(qū)間，在工藝上很難做到幾平方米那么大的膜。所以如果用這種小膜以拼接的方式去貼滿車身，表面會(huì)留下很多間隙，這樣車身抗撞擊的能力依然沒有得到加強(qiáng)。另外，一個(gè)最關(guān)鍵的因素是，這種薄膜需要貼覆在碳或者硅的基底上，不能直接貼覆在車身鋼板上，因?yàn)檫@樣無法與車身表面緊密貼合。

總之，按照現(xiàn)在的工藝水平，我們還不能把石墨烯直接應(yīng)用在汽車貼膜上用來提高車身的抗撞擊能力，雖然這項(xiàng)新技術(shù)在科幻電影中可能早已經(jīng)被運(yùn)用了，但事實(shí)上，當(dāng)今的石墨烯概念依然有很濃厚的學(xué)院派氛圍，其實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用效果可能還比不上汽車太陽能動(dòng)力技術(shù)。因此，用石墨烯來給車身貼膜，是未來一個(gè)可能應(yīng)用的方向，但其工藝問題還需要進(jìn)一步研究才能解決。相信總有一天，我們的汽車也會(huì)想《速度與激情6》中的改裝車那樣堅(jiān)固。