自2010年获得诺贝尔物理学奖以来，石墨烯近年来成为二维材料的“流量明星”。今年前三个月，国际顶级学术期刊《自然》《科学》杂志已发表三篇关于石墨烯的报道。这些研究或为设计石墨烯基超导体奠定基础，或为探索石墨烯系统中的流体动力学开辟新路。

一直以来，石墨烯以应用前景广泛的电子特性而闻名。随着研究的不断深入，它的更多神奇性能有待人们去发现和探索。

五年前，在美国洛杉矶会议中心举行的美国物理学会年会上，美国麻省理工学院的物理学家巴勃罗·贾里略·赫雷罗发布了一项重大成果。

此前，赫雷罗和他的同事一直在进行石墨烯的实验研究，石墨烯是从石墨（铅笔芯的主要成分）上剥离下来只有单个原子厚度的碳薄片材料。然而，当赫雷罗将两个石墨烯薄片堆叠在一起，以一薄片相对于另一薄片旋转，形成某个神奇“魔角”时，一种神奇的效应产生了。

就是这个在石墨烯错位层中的意外发现，为科学家研究二维材料奇异物理学开辟了一个新的领域。

一、什么是石墨烯技术

首先，石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，也基于这些材料的质感，也就有了公司团队一起研发石墨烯区块链技术的架构，并使该架构成为了区块链优秀的核心底层架构。当今社会中科技不断进步的过程中，石墨烯技术的应用也越来越广泛。

二、“扭一扭”创造神奇材料特性

在那次美国物理学会年会上，赫雷罗展示了石墨烯的一种神奇新特性。他们将两层石墨烯堆以某个角度差异叠在一起，并通过门电压调控载流子浓度，成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体，继而实现1.7K（开尔文）温度下的超导电性。

神奇“魔角”或让石墨烯成为电流几乎不流动的绝缘体，或成为超导体。这是一个具有重要意义的惊人发现，因为从量子计算到核聚变等多个前沿技术领域中，超导体都有广泛的应用前景。

在这次年会之后，研究人员通过石墨烯叠层扭转产生“魔角”效应实验，发现了许多奇异的量子效应，例如显示磁涡旋特性的“准粒子”。美国哈佛大学的阿米尔·亚科比认为，这些奇异特性令人兴奋，蕴含着巨大的应用潜力。

更令人振奋的是，石墨烯的神奇才刚刚崭露头角。新的研究发现，通过增加石墨烯薄片的层数，或以其他材料互换，也会产生类似效应。在探索石墨烯神奇特性的发现之旅中，科学家将深入研究隐藏在二维材料中不可思议的全新物理学。

石墨烯薄片叠层扭转后表现的种种神奇特性，为研究材料的基本特性，尤其是探索不同原子排列方式对材料特性所产生的作用，开辟了新的途径。

材料是否导电，取决于原子中的电子在原子核周围的排列模式。大致原理为，相邻原子的电子向外移动，形成一个互相重叠的“电子带”。在导电材料中，高能电子“电子带”拥有更多可容纳其他电子的空间，其本身也有更多可移动空间，一旦施加电压，就可形成电流在电极之间流动。而在绝缘体材料中，高能电子带和低能电子带一样，都挤满了电子，在这样的材料中，电子就像挤在拥挤房间里的人群一样，几乎没有自由移动的余地。

石墨烯中的碳原子由蜂巢状六边形晶格互相连接，所以这种材料中的电子可以在晶格带中自由穿梭，这正是高速运行电子器件所需要的优良特性。

事实上，如果是蜂巢晶格结构没有任何瑕疵的天然石墨烯，从理论上来说，其电子可以光速移动，就像根本没有任何质量一样。但如果两层石墨烯薄片相叠，其中一层相对于另一层以某种角度扭曲，就可以改变电子的移动方向。电子在两个六边形晶格中来回穿梭，形成“超晶格”，产生神奇的“莫尔效应”。

三、“魔角”石墨烯超导性成因

据最新发表在《自然》杂志上的一项研究，美国俄亥俄州立大学领衔团队发现的新证据显示，当石墨烯偏转到某个精确角度时，可成为超导体，传输电能而不损失能量。量子几何在这种偏转石墨烯成为超导体方面发挥了关键作用。

2018年，麻省理工学院科学家发现，如果在合适条件下，将一片石墨烯放在另一片石墨烯上，并将两层石墨烯偏转一个特定的角度（1.08°），就会产生神奇的超导效应。

在传统金属中，高速电子负责导电性。但偏转的双层石墨烯具有一种称为平带的电子结构，在这种结构中，电子移动非常缓慢，如果偏转角度恰好是“魔角”，则速度接近于零。研究人员表示，在传统的超导理论下，移动如此之慢的电子应该不能导电。

此次，研究人员非常精确地获得了一个非常接近魔角的装置，电子几乎被通常的凝聚态物理标准所阻止。尽管如此，样品仍然表现出超导性。

在实验中，研究团队证明了电子具有缓慢的速度，并给出了比以前更精确的电子运动测量结果。

他们还发现了首个线索，可解释这种魔角石墨烯为何如此特殊。就像所有的量子一样，量子几何是复杂的，不是直观的。研究的结果与这样一个事实有关：电子不仅是粒子，而且是波，因此具有波函数。

研究人员表示，平带中量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致了双层石墨烯中电子的流动而没有耗散。常规方程仅能解释其发现的一成超导信号。实验测量表明，具有偏转角度的双层石墨烯成为超导体的九成原因在于量子几何。这种材料的超导效应只有在极低温度下的实验中才能发现。

研究团队最终目标是能够理解导致高温超导的因素，这将在电力传输和通信等现实世界具有潜在应用。

四、石墨烯：未来蕴含无限可能

“魔角”石墨烯拥有许多令人着迷的特性，这让科研人员对它的研究欲罢不能。未来，还将有无限可能的新发现，蕴藏在这种神奇材料中。

铁磁性

“魔角”石墨烯能够显现出像铁那样的铁磁特性。铁磁性通过电子快速旋转产生，属于一种量子特性。在具有铁磁特性的一些材料中，所有电子的旋转方向都是一致的。

2019年，美国加州标准材料与能源科学研究所的戴维·戈登和他的同事，通过操纵“魔角”石墨烯的电子带，首次观察到了石墨烯的铁磁性能。可控铁磁性可通过开关控制，在一种叫做“自旋电子学”的电子技术中很有用，研究人员可利用电子自旋来给信息编码，而不是电流脉冲。

新的准粒子

对“魔角”石墨烯的研究还是发现新的奇特准粒子的沃土，包括那些携带分数电荷的准粒子。电子电荷是一种基本单位，没有比它电荷更小的自由粒子了。但在一种被称为“分数量子霍尔效应”的奇特现象中，电子表现得好像带有分数电荷。分数电荷准粒子的电子通常呈分离态，在“魔角”石墨烯中，电子按准粒子晶格排列，被称为“分数陈绝缘子”。

科学家研究分数准粒子，不仅是出于科学探索的好奇心，也出于实际应用的需要。分数准粒子与“任意子”有着惊人的相似之处，而“任意子”是一种假想准粒子，是量子计算迫切需要的。

在粒子物理学标准模型中，基本粒子可归为两大类：一类是费米子，比如电子；另一类是玻色子，比如光子。准粒子通常也遵循这样的二分法。比如，库珀对是玻色子，但任意子如果存在的话，就是介于玻色子和费米子之间的某种东西。有人提出，将特定类型的任意子当作量子比特，可避免导致计算失误的量子比特状态翻转或随机化，这类错误正是阻碍目前量子计算机发展的一个“绊脚石”。

奇异量子效应

有关石墨烯超薄材料奇异量子效应的新发现不断给人们带来惊喜。2021年3月，美国哈佛大学的阿希文·维什瓦纳斯和他的同事提出了扭曲石墨烯具有超导性的理论，该理论基于一种被称为“斯格明子”的准粒子。2021年12月，美国普林斯顿大学的研究人员发布了与这种斯格明子准粒子有关的报告。2022年年初，赫雷罗在三层石墨烯中发现了超导性，哈佛大学菲利普·金姆领导的一个研究团队也独立得出了相同结果。之后，赫雷罗的研究团队证实，四层甚至五层石墨烯中也存在超导性。

五、哪些地方能用上石墨烯

电子材料领域

作为电极材料，石墨烯是绝佳的负极材料，被认为是可以替代硅的芯片材料。另外，石墨烯在柔性屏幕、可穿戴设备、太阳能充电等领域的应用也有待挖掘。

石墨烯在可穿戴设备领域具有一定应用空间。例如，爱尔兰科学家正在开发基于石墨烯的灵活可穿戴传感器，并发现该传感器能够检测到用户最细微的动作，包括跟踪呼吸和脉搏。另外，该传感器还能实现自供电。

散热材料领域

金属纳米石墨烯导热塑料如应用在LED灯具等产品的散热上，其系统成本至少可降低30%。石墨烯所具有的快速导热与散热特性，使得石墨烯成为极佳的散热材料，可用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、卫星电路等。

汽车领域

石墨烯润滑油有自修复性能，能形成润滑保护膜，还具有抗磨性能和优异的成膜性能。它所独有的分水性能，可有效防止乳化。此外，它还具有很好的抗氧散热性，可有效延长机油使用周期。

石墨烯还可应用于动力电池负极复合材料、锂电池正极导电剂和功能涂层铝箔中，可极大减轻电池重量从而降低整车质量、延长电池使用寿命，大大提高电动汽车续航里程和充电速度。将石墨烯应用到热成像设备的芯片中，将可能使未来汽车有夜视功能。

生物医学领域

石墨烯具有突出的力学性能和生物相容性，将其作为增强填料可显著提高生物材料的力学性能。在基因组测序技术领域，最近成功开发出来的DNA感测器，是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备，能探测DNA链的旋转和位置结构。该感测器利用石墨烯的电学性质，成功实现检测DNA序列的微观功能。

文章来源： 文汇，科技日报，索隆科技说