我忽悠了吗？-谈谈石墨烯的强度

  本来研炭翁说碳（三）想写“碳是个什么东西？”，但上网一看，有几位评议人对前文“研炭翁说碳（二）浅谈石墨烯”（以下简称“前文”）所举有关石墨烯强度的比较及例子表示质疑。游客交大钢铁研究者甚至毫不客气地提出：“这位是学者吗？怎么看着像忽悠啊？”。因此，被逼不得不先写此文作一总的回复。

写科普文章时，为避免枯燥的数字和太深的理论阐述，常常用简单的比较和例子予以说明，希望能达到深入浅出的目的。“前文”中提到的比较及例子并非本人原创而是引自其它文章（因系科普文章，当然也就未列出参考文献），但是这些比较和例子是有理论和实验数据作依据的。科普文章的例子和比较或比喻不可能像科技论文那样精确、贴切，但是也绝不能像科幻小说那样完全离谱。那么，石墨烯的强度到底是多少，“前文”中的例子和比较离谱了吗？文章的作者是在忽悠吗?

   外层电子形成sp2杂化的碳原子所形成的碳碳双键（C=C）是自然界最强的价键之一，根据其键能607KJ/mol和碳键的密度，计算出石墨烯的弹性模量为1Tpa(1 TPa=103 GPa=106 MPa)。按照吉拉曼（Gilaman）固体材料理论固有强度的计算可得出，石墨烯的抗拉强度为180GPa。谈到钢铁，一般多指块状钢铁，包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内，其强度在0.78-1.68GPa之间, 石墨烯的强度不是比它们大100多倍还多吗？

本人学识浅薄，孤陋寡闻，愧为学者，仅对碳略知一二，确实不知钢琴丝、钢晶须等还有那么高的强度，这也说明隔行如隔山的道理。但是，也并没有无知到用石墨烯来与钢丝或钢晶须作比较呀！如果钢铁的理论强度如交大钢铁研究者所说是20Gpa，但块状钢铁应和普通块状炭材料一样，是很难达到纤维和晶须的抗拉强度水平的，更何谈达到其理论值。另外，“前文”中也并没有说石墨烯是钢铁理论强度的100倍呀！

     单层石墨烯是完美的理想晶体，其力学性能自然可接近其理论值，SP2杂化碳碳键形成的碳纳米管实测得到的抗拉强度也有150Gpa（参见Nature. 1997.vol.389.no.6651,pp,582-4）。石墨晶须的抗拉强度则为21 GPa。炭纤维也主要是以SP2杂化碳碳键所形成的材料，尽管受脆性材料中的裂纹、孔隙及晶粒大小等众多因素所影响，其抗拉强度与理论值有很大差距，但其工业产品的抗拉强度值也相当高，不同牌号的产品如T300、T800和T1000的抗拉强度分别可达3.5GPa、5.5Gpa和7.0GPa。这些也都是看得见，摸得着并已在航空、航天、军工等部门大量应用的产品。正是由于炭纤维的高强度、高模量，美国F-22战机的表面用炭纤维复合材料已达70%，民用波音787和空客A380中炭纤维复合材料已占其结构材料的50%以上，每架飞机用炭纤维的量达23吨。说到这里，似乎有点跑题。然而，在上世纪60年代，刚开始研究把脆性的炭材料变成柔韧的炭纤维时，谁又能想到能有今天这样的发展。从炭纤维的发展我们不就可以看到石墨烯的明天吗？

至于“前文”中的提到的另一比喻，请参看“科学”杂志中的一篇论文（ Science ，18 July 2008.Vol. 321. no. 5887, pp. 385 - 388， “Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene ）。该文作者为哥伦比亚大学的物理学学者Changgu Lee, James Hone等，他们对石墨烯的力学特性进行了较全面研究。为此，他们选取一些10—20微米的石墨烯作研究对象，先将这些石墨烯样品放在了一个表面钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。然后用金刚石制成的探针对放置在小孔上的石墨烯施加压力，测试它们的承受能力。结果发现，在石墨烯样品开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到了大约2.9微牛。据测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

Nature和Science是公认的世界顶级科学杂志，其上发表的论文和数据，恐怕没多少人会认为其论文作者是在忽悠人吧？

正如“前文”最后提到的，石墨烯作为材料应用其研究之路还很长。当前还根本制造不出1米大小的石墨烯，目前非科技人员可能既看不见，也摸不着它。制出较大面积的石墨烯时，其性能还有可能发生变化。