【科研成果】石墨烯:芯片里的“黑洞”

必发365登录入口2018年8月31日讯  石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由碳原子组成的二维晶体。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层或者仅仅一层石墨烯。

科学家们对石墨烯这一物质的出现感到极其兴奋,认为它具有巨大的工业潜力,甚至预言它会颠覆由硅主导的芯片时代,在未来掀起一场技术革命。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年的诺贝尔物理学奖。

那么,你是不是很想知道石墨烯究竟是何方神圣呢?

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【科研成果】石墨烯:芯片里的“黑洞”

未来神奇材料

石墨烯大概有一层原子那么厚,虽然是最薄的纳米材料,但一点都不影响它的强韧性。由于碳原子之间化学键的特有性质,石墨烯甚至比钢还强韧、比钻石还坚硬。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克的吊床便可以承受一千克物体。

同时,它还是地球上导电性最强、几乎透明的材料之一,这也是石墨烯最有潜力的应用——取代硅,提高电池效率,改善电脑、手机触摸屏的效率。据说用石墨烯代替硅,计算机处理器的运行速度将快上数百倍。

种种优点使得石墨烯深受科学家们的欢迎,成为工业的新宠儿。但是不得不说,想要将它生产出来却不是一件容易的事。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯,目前很难剥离出单层结构。若要产出没有杂质的纯净石墨烯,更是难上加难了。因此,石墨烯的发展道路可谓是“前途光明,道路曲折”。

石墨烯的有趣新特性

我们需要更深入了解这一神奇材料,才能克服它的生产问题。科学家们观察到,在电场作用下,和一般金属的带电粒子相比,纯净石墨烯中带电粒子的行为有点“异常”,它们会以相当快的速度互相撞击。与之相反的是,普通金属内部带电粒子之间几乎没有任何交流和互动。为什么石墨烯的带电粒子会表现得如此疯癫呢?

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原来,这跟石墨烯的结构有关。石墨烯有一个二维蜂窝状结构,而普通金属内部是三维结构。石墨烯这种特殊的二维蜂窝状结构就如同一条“粒子高速公路”,使得所有带电粒子(其中一些带正电荷,另外一些带负电荷)必须从这条高速公路中通过。它们以极快的速度运动——光速的1/300,在狭路相逢的情况下相互撞击,室温条件下每一秒会碰撞对方10万亿次。

而且,研究人员发现石墨烯内部的活性粒子在发生强相互作用时,其表现出的“行为”类似于水那样的流动液体,而穿过粒子的能量就像是在水中传播的波一样。这种情况可以用流体力学来描述,他们为此还计算出了“石墨烯的相对论流体力学”模型。而无论是内部电子的疯狂相互碰撞,还是流体模型,在普通金属中都是从未有过的情况。

芯片里的“黑洞”?

相对论流体力学一般只有在分析黑洞和弦理论时才会用到,可是在研究石墨烯时竟然也会出现这种特性,这让研究人员很是惊讶。这意味着,一片小小的石墨烯,或许就可以模拟宇宙内部其他高能量系统的流体状情况。

那么,简简单单的石墨烯和复杂的宇宙天体相关联的具体情况是怎样的呢?

首先我们知道,世界大多数的情况可以用经典物理学来解释,比如水是如何流动的?一颗球从高处抛下后的下落曲线是怎样的,等等,这些只需用经典物理学中的力学知识就能解释。另一方面,如果是非常微小的物体,比方说电子,就可以用量子力学来解释和描述。而对于非常巨大且运动速度非常快的物体,如星系,则需要用爱因斯坦开创的相对论物理学来描述。

但这并不是绝对的。比如在解释宇宙中的超新星和黑洞等高能量系统时,就可以将其中两者结合起来:爱因斯坦的相对论和经典物理学中的流体力学。

对于人类目前的技术而言,在地球上模拟黑洞这样的高能系统可以说仍然遥不可及。相比之下,利用具有相同“相对论流体”的石墨烯来模拟黑洞、超新星的行为而进行的实验,则要简单得多。这可能意味着,石墨烯制成的芯片不仅很有希望成为下一代超薄电子产品的候选者,为我们带来更快的数字运算,可能还有助于科学家了解发生在宇宙遥远的另一端天体内部的复杂量子现象。至于具体如何模拟,我们还得耐心等待科学家们的新消息。

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