石墨烯的硬度真的比钻石还硬吗?

实验发现,在石墨烯微粒碎裂前,每100纳米距离能承受约2.9微牛的压力。科学家测算,要让1米长的石墨烯断裂,需要施加55牛顿的压力,这显示了其惊人的抗拉能力。

如果未来能制取出厚度约100纳米、相当于普通食品塑料袋厚度的石墨烯薄膜,那么需要差不多两万牛的压力才能将其扯断。这意味着用它做包装袋,能承受约两吨重的物品。

讨论石墨烯和钻石谁更硬,必须得看受力方向。石墨烯是二维六角网格结构,其碳原子间的键强度确实比钻石三维网格中的键要强,所以在面内方向上它非常强韧。

石墨烯被人类称为已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,其强度甚至是最好钢铁的一百倍。哥伦比亚大学物理学家曾对它的机械特性做过全面研究,证实了这一点。

当石墨烯受到剪切力时,它其实非常脆弱,轻轻一碰就可能碎裂。因此,直接拿二维材料和三维材料来比较相对硬度,在科学上并没有太大的实际意义。

研究人员选取了10到20微米大小的石墨烯微粒进行测试。他们把这些样品放在钻有1到1.5微米小孔的晶体薄板上,然后用金刚石探针施加压力来测试其承受能力。

不过一旦考虑到大块材料,情况就不同了。钻石在各个方向上的强度都很高,表现稳定;而石墨烯在垂直于平面的第三个维度上强度就很弱了,可以说是‘渣渣’。

石墨烯的优势主要在于面内的拉伸强度,这个数值大多是理论计算出来的。因为目前很难制取并分离出大片的石墨烯,所以缺乏足够的实验验证来支持这些理论数据。