有人拿到手过的最薄的东西
先从你口袋里的东西讲起：一支铅笔。所谓“铅芯”其实是石墨，而石墨不过是碳。石墨柔软、能在纸上写字，是因为它由数不清的碳原子平面薄片松松地一层层叠起来构成，像一沓纸。这些薄片之间只是微弱地相互依附，所以它们会滑动、会剥落——而当你把铅笔拖过纸面时，发生的正是这件事。你这辈子用铅笔写下的每一个字，都是这些薄片的一抹涂痕。
现在问一个明摆着的问题：你能不能只揭下其中一张薄片——单单一层碳原子——并把它保留下来？一张恰好一个原子厚的片？很长一段时间里，教科书的答案是自信的“不能”。理论家们论证说，这样一张超薄薄膜会不可救药地不稳定——它会皱成一团、卷起来，或者被自身的热量抖得四分五裂。所以没人当真去试。这张单层片，是一件只活在纸面上的奇谈。
然后在 2004 年，曼彻斯特的两位物理学家——安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫——试了一件能想象到的最不高科技的事。他们把一小片石墨按在普通胶带上，把胶带揭开以劈开这片石墨，再按一次、又一次，每一次都把它弄薄一点，直到在某块碎屑上，找到了恰好一个原子厚的一小点。那张单层碳片就是[[graphene|石墨烯]]，而那个简单到荒唐的胶带把戏，为他们赢得了诺贝尔奖。那件人人都以为不可能的东西，原来一直就坐在一支铅笔上。
用碳织成的铁丝网
凑近看石墨烯，你会看到大自然最优雅的图案之一：一张蜂窝，就像铁丝网，又像蜂巢里的小格子。每一个碳原子都和三个邻居手牵手，那些键以相等的角度铺展开，织成一张由六边形组成的扁平的网。这是史上第一种真正的[[two-dimensional-material|二维材料]]——一块名副其实就是一个平面的晶体，除了那单单一个原子本身的厚度，再没有什么厚度可言。
石墨烯之所以稳定，与那些老旧的预言相反，秘密就藏在那三次握手里。每个碳原子都和每个邻居共享一根强劲的[[covalent-bond|共价键]]，而蜂窝的几何把它们锁进一张刚硬而绷紧的网——像一张朝每个方向都拉到极紧的蹦床。这正是为什么石墨烯尽管只有一个原子厚，却是有史以来测到的最强材料：论同等重量，远比钢还坚韧。一张一平方米见方的石墨烯吊床，比一根猫须还轻，却足以托住一只猫。
表现得仿佛没有重量的电子
在一块普通金属里，电子的运动像有确定重量的弹珠：推它们，它们就慢吞吞地加速，正如越重的球越难滚起来。物理学家用一个叫有效质量的数字来刻画这种慢吞吞。石墨烯把这本规则书撕了。由于蜂窝完美的对称，那些多出来的电子在片上飞奔，仿佛根本没有重量——像一束束碰巧由电子构成的光。
这里说的“没有重量”是什么意思？在任何材料里，一个电子的能量与它的动量之间的关系——给定一推，它跑多快——叫作[[energy-band|能带]]结构，通常它像一个碗那样弯曲：在碗底附近平缓而迟钝。可在石墨烯里，这个关系根本不是碗。它收成一个尖点，然后以完美的直线向上抬升，构成一个物理学家称之为[[dirac-cone|狄拉克锥]]的形状，像两个尖对尖接起来的甜筒。直线意味着恒定的速度：无论你推得多用力，这些电子都以一个固定的速度巡航，大约每秒一百万米。
ordinary metal: energy ~ (momentum)^2 -> a bowl, electron has weight graphene: energy ~ |momentum| -> a cone, electron acts weightless
这个固定的巡航速度，就是石墨烯的[[fermi-velocity|费米速度]]，虽然它仍比真正的光慢大约三百倍，但对固体里的电子而言，已是快得灼人。由于这些电子实际上没有重量，而蜂窝又如此洁净，它们有时能笔直穿过整张片，连一个障碍都不撞——一种平顺、无碰撞的滑行，叫作[[ballistic-transport|弹道输运]]。在大多数金属里，电子时时刻刻在跌跌撞撞、被散射；而在好的石墨烯里，它能像箭一样笔直地飞。
美妙，但并非魔法：那道缺失的缝隙
有了这一切，我们很容易就想给石墨烯加冕为完美的电子材料，指望它取代每一块芯片里的硅。这里，老实话得让我们慢下来。整个数字世界都跑在晶体管上——那是能把电流干净地开、关的开关。要能关断，一种材料需要一道[[band-gap|带隙]]：一段禁止的能量区，里头不许有任何电子，这样你才能把电流饿到彻底停住。硅有一道舒舒服服的带隙。而石墨烯，凭着它那两个尖对尖、在唯一一点上相触的锥，根本没有带隙。
没有带隙，就意味着石墨烯无法被干净地关断——它的电流可以调小，却永远杀不死，这就造出一个会漏电、又耗电的数字开关。所以石墨烯没有、将来也不会，就这么简单地在逻辑芯片里取代硅。这是早期炒作之后那场巨大的泄气，也是这个故事里老实的一部分。研究者们有办法哄出一道小小的带隙——拉伸它、堆叠它、把它切成窄窄的带——但每一招，都要付出一些当初让石墨烯激动人心的那份完美。
从一张平片，到其余的一切
一旦你有了单单一张碳片，一个美丽的念头便随之而来：如果你不让它保持平的呢？把一条石墨烯带卷成一根无缝的管，你就得到一根[[carbon-nanotube|碳纳米管]]——一根一维的碳线，这是下一讲的主角。把一块片裹成一个闭合的球，你就得到一个空心的碳笼，叫作富勒烯。那张扁平的蜂窝是母本的形状；管和球都是它的孩子。整棵碳纳米材料的家族树，都从这一张谦卑的片上生长出来。
石墨烯真正挣得自己饭碗的地方，不在于取代硅的逻辑功能，而在于那些契合它真正长处的场合：触摸屏上既透明又导电的涂层、掺进塑料和复合材料里的超强轻质添加剂、能感知单个分子落到其表面上的快速传感器，以及那些你要速度、却不需要彻底关断的高频电子器件。石墨烯的教训，正是整个纳米尺度的教训：一种材料并没有抽象意义上的好坏，只有与一项工作匹配得好不好。