為什麼石墨烯不可能是唯一一個
石墨烯證明的最深刻的一件事，根本與碳無關。它證明的是：一塊晶體可以作為單單一個原子層存活下來——那個認定這樣的片必定皺成一團的老信條，根本就是錯的。而這一點一旦明朗，全世界的實驗室裡立刻亮起一個明擺著的問題：如果碳能做到，還有什麼也能？有沒有別的層狀材料，像石墨那樣，層與層之間只是微弱地相互依附，正等著被揭開成一張張單層片？
答案原來是：好幾十種，而且還在不斷增加。只要一種材料由一層層強勁的平片構成，而層與層之間僅靠一種孱弱、滑溜的吸引相繫，這一招就管用。那種層間的弱膠水有個名字——[[van-der-waals-bond|凡得瓦鍵]]——一種溫和的黏性，來自所有原子彼此之間都感受得到的、微弱而轉瞬即逝的拉扯。每張片內部強勁的鍵把這張片維繫在一起；片與片之間孱弱的凡得瓦鍵，則讓你能把它們滑開。這種分裂的性格——橫向堅韌、上下脆弱——正是一塊可揭層狀晶體的標誌性特徵。
認識這個家族：每一種電學性格
[[two-dimensional-material|二維材料]]這個家族之所以如此激動人心，是因為它的成員並不都是同一種東西。還記得石墨烯唯一的弱點，是缺少一道能隙，這讓它當不成一個乾淨的開關。妙就妙在，其他二維材料恰恰供上了石墨烯所缺的能隙。這個家族合在一起，就覆蓋了你能想要的全部電學性格。
- 導體——石墨烯本身：一張像金屬的片，電流自由流動，但無法被完全關斷。
- 半導體——例如二硫化鉬這樣的片。它們有真正的 能隙，因而能做出真正的 半導體 開關——乾淨地開、乾淨地關——這正是石墨烯做不到的。還有個意外的好處：單層往往比同種材料的厚塊更善於吸收和發出光。
- 絕緣體——六方氮化硼，常被暱稱為「白石墨烯」：同樣的蜂窩形狀，卻把電流完全擋住。它能提供一個無瑕、超平的表面，供其他片鋪在上面——是二維世界裡那張潔淨的桌子。
- 還有更奇怪的——有磁性的二維片，會超導的二維片，還有種種物理學家仍在編目的、奇異的二維片。整整一張元素週期表那麼多的行為，如今都能一層一層地拿到。
注意這條貫穿始終的主題。在一大塊料裡，一個原子上下都被鄰居環繞，那些鄰居把它個體的量子本性抹糊、磨軟。把這種材料剝到只剩一層，那條摀住它的鄰居毯子就沒了。這張單層片赤裸裸地立在那兒，它的量子性格——它的能隙、它的顏色、它把持光的方式——都猛然變得銳利。這裡的薄，不是個無關緊要的小調整。它改變了這種材料從根本上是什麼。
把片捲起來，你就得到一根線
現在，拿一張平的石墨烯片，做這世上最自然的一件事：把它捲成一根長長的、無縫的管，比一縷 DNA 還細。你做出來的，是一根[[carbon-nanotube|碳奈米管]]——儘管它由同一種蜂窩構成，捲它卻改變了一切，因為捲把一個維度拿走了。在平片上，一個電子能朝兩個方向遊蕩。在管上，它在一個方向上被裹了起來，真正能走的，只剩沿著管長這一條路。它實際上已經變成了一根一維的[[quantum-wire|量子線]]。
這裡有最迷人的一處轉折。你究竟怎麼捲這張片——是直著捲，還是斜著捲，就像把一張紙以不同的角度捲起來——決定了捲出來的管，是像金屬那樣導電，還是像有能隙的半導體那樣行事。同樣的原子、同樣的蜂窩，單單捲的角度，就翻轉了它的電學性格。這就好像你只靠傾斜纏繞的方式，就能把一根線變成一個開關。在材料科學裡，再沒有別處，會有這麼小的一個選擇造成這麼大的差別。
線上的生活：成塊到來的電流
當你把電子困在這麼細的一根線上時，它輸運電流的方式裡，會冒出一種奇異的整齊。在一根粗銅線裡，你可以把電流完全平滑地往上或往下調。但把線壓到量子尺度，那份平滑就碎成了台階。這根線以固定大小的整塊導電——先是一個通道的量，然後是兩個通道的量，再是三個——從不會取中間的量。這種階梯般的行為，叫作[[conductance-quantization|電導量子化]]。
為什麼是整塊？回到上一講那根吉他弦。一個被擠進狹窄通道裡的波，橫跨這根線的寬度，只能以寥寥幾種分明的方式嵌進去——一個鼓包、兩個鼓包、三個鼓包——而每一種花樣，都是允許電子使用的一條「車道」。你沒法把一條車道半開著；它要麼開放，要麼不開放。所以當你把線加寬、或往裡加能量時，車道就一條接一條地咔噠打開，電流也以相等的台階往上跳。這根線小到，你真的可以數清它的導電通道。
碳奈米管把這些一維的奇觀推向極致。它們比幾乎任何東西都更堅硬、更強韌，沿其長度方向導熱比鑽石還好，而其中最好的那些，能讓電子彈道式地穿梭——一路飛過整根管長而不被散射。它們還容納了一種緊緊束縛在一起的搭檔——一個電子與它身後留下的空穴組成的對子，叫作[[exciton|激子]]，正是它主宰著這根管如何發光、如何吸光。這單單最薄的材料，一捲，就變成了最豐富的材料之一。
這座動物園老實的現狀
退一步看，這幅圖景著實令人激動。我們如今有了一整箱原子級薄片的工具——導體、半導體、絕緣體、磁體——以及捲起來的線，連捲法本身都決定著它們的行為。原則上你可以為每項工作挑一張片，甚至把它們疊起來，而這正是最後一講要去的地方。這個夢想，是要造電子器件，不靠從一大塊料上一刀刀雕刻，而靠一次一個原子層地把它們拼裝起來，像全世界最小的樂高積木。
但前進的方向是清楚的，而它正是這整條學習線一直在走的方向。我們正在學著把單原子片當作積木：揭下它們，按它們的電學性格來挑選，把它們捲成線。下一步，幾乎叫人無法抗拒，就是不再一次只用一張片，而開始把它們疊起來——把一個導體、一個半導體和一個絕緣體，合成一塊設計出來的晶體。這恰恰是最後一講要把我們帶去的地方。