为什么石墨烯不可能是唯一一个
石墨烯证明的最深刻的一件事，根本与碳无关。它证明的是：一块晶体可以作为单单一个原子层存活下来——那个认定这样的片必定皱成一团的老信条，根本就是错的。而这一点一旦明朗，全世界的实验室里立刻亮起一个明摆着的问题：如果碳能做到，还有什么也能？有没有别的层状材料，像石墨那样，层与层之间只是微弱地相互依附，正等着被揭开成一张张单层片？
答案原来是：好几十种，而且还在不断增加。只要一种材料由一层层强劲的平片构成，而层与层之间仅靠一种孱弱、滑溜的吸引相系，这一招就管用。那种层间的弱胶水有个名字——[[van-der-waals-bond|范德华键]]——一种温和的黏性，来自所有原子彼此之间都感受得到的、微弱而转瞬即逝的拉扯。每张片内部强劲的键把这张片维系在一起；片与片之间孱弱的范德华键，则让你能把它们滑开。这种分裂的性格——横向坚韧、上下脆弱——正是一块可揭层状晶体的标志性特征。
认识这个家族：每一种电学性格
[[two-dimensional-material|二维材料]]这个家族之所以如此激动人心，是因为它的成员并不都是同一种东西。还记得石墨烯唯一的弱点，是缺少一道带隙，这让它当不成一个干净的开关。妙就妙在，其他二维材料恰恰供上了石墨烯所缺的带隙。这个家族合在一起，就覆盖了你能想要的全部电学性格。
- 导体——石墨烯本身：一张像金属的片，电流自由流动，但无法被完全关断。
- 半导体——例如二硫化钼这样的片。它们有真正的 带隙，因而能做出真正的 半导体 开关——干净地开、干净地关——这正是石墨烯做不到的。还有个意外的好处：单层往往比同种材料的厚块更善于吸收和发出光。
- 绝缘体——六方氮化硼，常被昵称为“白石墨烯”：同样的蜂窝形状，却把电流完全挡住。它能提供一个无瑕、超平的表面，供其他片铺在上面——是二维世界里那张洁净的桌子。
- 还有更奇怪的——有磁性的二维片，会超导的二维片，还有种种物理学家仍在编目的、奇异的二维片。整整一张元素周期表那么多的行为，如今都能一层一层地拿到。
注意这条贯穿始终的主题。在一大块料里，一个原子上下都被邻居环绕，那些邻居把它个体的量子本性抹糊、磨软。把这种材料剥到只剩一层，那条捂住它的邻居毯子就没了。这张单层片赤裸裸地立在那儿，它的量子性格——它的带隙、它的颜色、它把持光的方式——都猛然变得锐利。这里的薄，不是个无关紧要的小调整。它改变了这种材料从根本上是什么。
把片卷起来，你就得到一根线
现在，拿一张平的石墨烯片，做这世上最自然的一件事：把它卷成一根长长的、无缝的管，比一缕 DNA 还细。你做出来的，是一根[[carbon-nanotube|碳纳米管]]——尽管它由同一种蜂窝构成，卷它却改变了一切，因为卷把一个维度拿走了。在平片上，一个电子能朝两个方向游荡。在管上，它在一个方向上被裹了起来，真正能走的，只剩沿着管长这一条路。它实际上已经变成了一根一维的[[quantum-wire|量子线]]。
这里有最迷人的一处转折。你究竟怎么卷这张片——是直着卷，还是斜着卷，就像把一张纸以不同的角度卷起来——决定了卷出来的管，是像金属那样导电，还是像有带隙的半导体那样行事。同样的原子、同样的蜂窝，单单卷的角度，就翻转了它的电学性格。这就好像你只靠倾斜缠绕的方式，就能把一根线变成一个开关。在材料科学里，再没有别处，会有这么小的一个选择造成这么大的差别。
线上的生活：成块到来的电流
当你把电子困在这么细的一根线上时，它输运电流的方式里，会冒出一种奇异的整齐。在一根粗铜线里，你可以把电流完全平滑地往上或往下调。但把线压到量子尺度，那份平滑就碎成了台阶。这根线以固定大小的整块导电——先是一个通道的量，然后是两个通道的量，再是三个——从不会取中间的量。这种阶梯般的行为，叫作[[conductance-quantization|电导量子化]]。
为什么是整块？回到上一讲那根吉他弦。一个被挤进狭窄通道里的波，横跨这根线的宽度，只能以寥寥几种分明的方式嵌进去——一个鼓包、两个鼓包、三个鼓包——而每一种花样，都是允许电子使用的一条“车道”。你没法把一条车道半开着；它要么开放，要么不开放。所以当你把线加宽、或往里加能量时，车道就一条接一条地咔哒打开，电流也以相等的台阶往上跳。这根线小到，你真的可以数清它的导电通道。
碳纳米管把这些一维的奇观推向极致。它们比几乎任何东西都更坚硬、更强韧，沿其长度方向导热比钻石还好，而其中最好的那些，能让电子弹道式地穿梭——一路飞过整根管长而不被散射。它们还容纳了一种紧紧束缚在一起的搭档——一个电子与它身后留下的空穴组成的对子，叫作[[exciton|激子]]，正是它主宰着这根管如何发光、如何吸光。这单单最薄的材料，一卷，就变成了最丰富的材料之一。
这座动物园老实的现状
退一步看，这幅图景着实令人激动。我们如今有了一整箱原子级薄片的工具——导体、半导体、绝缘体、磁体——以及卷起来的线，连卷法本身都决定着它们的行为。原则上你可以为每项工作挑一张片，甚至把它们叠起来，而这正是最后一讲要去的地方。这个梦想，是要造电子器件，不靠从一大块料上一刀刀雕刻，而靠一次一个原子层地把它们拼装起来，像全世界最小的乐高积木。
但前进的方向是清楚的，而它正是这整条学习线一直在走的方向。我们正在学着把单原子片当作积木：揭下它们，按它们的电学性格来挑选，把它们卷成线。下一步，几乎叫人无法抗拒，就是不再一次只用一张片，而开始把它们叠起来——把一个导体、一个半导体和一个绝缘体，合成一块设计出来的晶体。这恰恰是最后一讲要把我们带去的地方。