有人拿到手過的最薄的東西
先從你口袋裡的東西講起：一支鉛筆。所謂「鉛芯」其實是石墨，而石墨不過是碳。石墨柔軟、能在紙上寫字，是因為它由數不清的碳原子平面薄片鬆鬆地一層層疊起來構成，像一疊紙。這些薄片之間只是微弱地相互依附，所以它們會滑動、會剝落——而當你把鉛筆拖過紙面時，發生的正是這件事。你這輩子用鉛筆寫下的每一個字，都是這些薄片的一抹塗痕。
現在問一個明擺著的問題：你能不能只揭下其中一張薄片——單單一層碳原子——並把它保留下來？一張恰好一個原子厚的片？很長一段時間裡，教科書的答案是自信的「不能」。理論家們論證說，這樣一張超薄薄膜會不可救藥地不穩定——它會皺成一團、捲起來，或者被自身的熱量抖得四分五裂。所以沒人當真去試。這張單層片，是一件只活在紙面上的奇談。
然後在 2004 年，曼徹斯特的兩位物理學家——安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫——試了一件能想像到的最不高科技的事。他們把一小片石墨按在普通膠帶上，把膠帶揭開以劈開這片石墨，再按一次、又一次，每一次都把它弄薄一點，直到在某塊碎屑上，找到了恰好一個原子厚的一小點。那張單層碳片就是[[graphene|石墨烯]]，而那個簡單到荒唐的膠帶把戲，為他們贏得了諾貝爾獎。那件人人都以為不可能的東西，原來一直就坐在一支鉛筆上。
用碳織成的鐵絲網
湊近看石墨烯，你會看到大自然最優雅的圖案之一：一張蜂窩，就像鐵絲網，又像蜂巢裡的小格子。每一個碳原子都和三個鄰居手牽手，那些鍵以相等的角度鋪展開，織成一張由六邊形組成的扁平的網。這是史上第一種真正的[[two-dimensional-material|二維材料]]——一塊名副其實就是一個平面的晶體，除了那單單一個原子本身的厚度，再沒有什麼厚度可言。
石墨烯之所以穩定，與那些老舊的預言相反，秘密就藏在那三次握手裡。每個碳原子都和每個鄰居共享一根強勁的[[covalent-bond|共價鍵]]，而蜂窩的幾何把它們鎖進一張剛硬而繃緊的網——像一張朝每個方向都拉到極緊的蹦床。這正是為什麼石墨烯儘管只有一個原子厚，卻是有史以來測到的最強材料：論同等重量，遠比鋼還堅韌。一張一平方米見方的石墨烯吊床，比一根貓鬚還輕，卻足以托住一隻貓。
表現得彷彿沒有重量的電子
在一塊普通金屬裡，電子的運動像有確定重量的彈珠：推它們，它們就慢吞吞地加速，正如越重的球越難滾起來。物理學家用一個叫有效質量的數字來刻畫這種慢吞吞。石墨烯把這本規則書撕了。由於蜂窩完美的對稱，那些多出來的電子在片上飛奔，彷彿根本沒有重量——像一束束碰巧由電子構成的光。
這裡說的「沒有重量」是什麼意思？在任何材料裡，一個電子的能量與它的動量之間的關係——給定一推，它跑多快——叫作[[energy-band|能帶]]結構，通常它像一個碗那樣彎曲：在碗底附近平緩而遲鈍。可在石墨烯裡，這個關係根本不是碗。它收成一個尖點，然後以完美的直線向上抬升，構成一個物理學家稱之為[[dirac-cone|狄拉克錐]]的形狀，像兩個尖對尖接起來的甜筒。直線意味著恆定的速度：無論你推得多用力，這些電子都以一個固定的速度巡航，大約每秒一百萬米。
ordinary metal: energy ~ (momentum)^2 -> a bowl, electron has weight graphene: energy ~ |momentum| -> a cone, electron acts weightless
這個固定的巡航速度，就是石墨烯的[[fermi-velocity|費米速度]]，雖然它仍比真正的光慢大約三百倍，但對固體裡的電子而言，已是快得灼人。由於這些電子實際上沒有重量，而蜂窩又如此潔淨，它們有時能筆直穿過整張片，連一個障礙都不撞——一種平順、無碰撞的滑行，叫作[[ballistic-transport|彈道輸運]]。在大多數金屬裡，電子時時刻刻在跌跌撞撞、被散射；而在好的石墨烯裡，它能像箭一樣筆直地飛。
美妙，但並非魔法：那道缺失的縫隙
有了這一切，我們很容易就想給石墨烯加冕為完美的電子材料，指望它取代每一塊晶片裡的矽。這裡，老實話得讓我們慢下來。整個數位世界都跑在電晶體上——那是能把電流乾淨地開、關的開關。要能關斷，一種材料需要一道[[band-gap|能隙]]：一段禁止的能量區，裡頭不許有任何電子，這樣你才能把電流餓到徹底停住。矽有一道舒舒服服的能隙。而石墨烯，憑著它那兩個尖對尖、在唯一一點上相觸的錐，根本沒有能隙。
沒有能隙，就意味著石墨烯無法被乾淨地關斷——它的電流可以調小，卻永遠殺不死，這就造出一個會漏電、又耗電的數位開關。所以石墨烯沒有、將來也不會，就這麼簡單地在邏輯晶片裡取代矽。這是早期炒作之後那場巨大的洩氣，也是這個故事裡老實的一部分。研究者們有辦法哄出一道小小的能隙——拉伸它、堆疊它、把它切成窄窄的帶——但每一招，都要付出一些當初讓石墨烯激動人心的那份完美。
從一張平片，到其餘的一切
一旦你有了單單一張碳片，一個美麗的念頭便隨之而來：如果你不讓它保持平的呢？把一條石墨烯帶捲成一根無縫的管，你就得到一根[[carbon-nanotube|碳奈米管]]——一根一維的碳線，這是下一講的主角。把一塊片裹成一個閉合的球，你就得到一個空心的碳籠，叫作富勒烯。那張扁平的蜂窩是母本的形狀；管和球都是它的孩子。整棵碳奈米材料的家族樹，都從這一張謙卑的片上生長出來。
石墨烯真正掙得自己飯碗的地方，不在於取代矽的邏輯功能，而在於那些契合它真正長處的場合：觸控螢幕上既透明又導電的塗層、摻進塑膠和複合材料裡的超強輕質添加劑、能感知單個分子落到其表面上的快速感測器，以及那些你要速度、卻不需要徹底關斷的高頻電子器件。石墨烯的教訓，正是整個奈米尺度的教訓：一種材料並沒有抽象意義上的好壞，只有與一項工作匹配得好不好。