商品簡介
☆石墨烯作為一種神奇的材料，自出現以來，掀起了一場材料研究的新革命。本書共分為八講，以常見的講課形式，利用數學、物理、材料、應用技術等多個學科將石墨烯串聯到一起，由表及裡，循序漸進的為我們認識和了解石墨烯的發現過程、物理原理及應用前景，提供了一扇全景式窗口。全書圖文並茂，通俗易懂，可滿足不同教育背景讀者的閱讀需求。
作者簡介
張天蓉，女，物理學者，科普作家，美國德州奧斯汀大學理論物理博士。研究課題包括相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、激光探測晶體性質、高頻及微波通訊EDA集成電路軟件等。發表專業論文30多篇。出版小說4本，科普圖書13本。暢銷科普書包括《蝴蝶效應之謎：走近分形與混沌》《世紀幽靈：走近量子糾纏》《上帝如何設計世界：愛因斯坦的困惑》《愛因斯坦與萬物之理：統一路上人和事》《永恒的誘惑 ： 宇宙之謎》等。
序
縱觀人類社會的發展，新型材料的發現和使用是非常關鍵和重要的一環。這也是為什麼人類歷史長河中的不少時期是以當時使用的熱門材料而命名的。250萬年以前，第一批人造的石頭工具在非洲開始出現，一直到距今50000～4000年時才開始有冶金技術。因此，考古學家們將那一段比200萬年更漫長的史前期，稱為“石器時代”。因為那是早期人類以石頭作為材料制作工具的年代。當然，所謂的石器是廣義的。實際上，木材、骨頭、貝殼、鹿角及其他天然材料當時也被廣泛地作為工具使用。特別是在石器時代的後期，黏土等材料被燒制成陶器。所以如果細分的話，那段短時期可稱為“陶器時代”。隨著時間的推進，一系列冶金技術的發展和革新，人類又經歷了紅銅時代、青銅時代、鐵器時代，後來又有了被技術革命推動的蒸汽時代、電氣時代、原子時代……直到現在，人類正行進在以硅材料為主導的信息時代。
技術推進社會，材料改變時代，這是毋庸置疑的。此外，材料的性能對各種應用技術安全的重要性，也是一個不爭的事實。人類文明的發展史，就是如何改進和創造更多更好的材料，更合理、更安全地使用材料的歷史。
也許有人還記得1986年美國“挑戰者號”航天飛機爆炸的事故，這場慘劇令包括一名普通女教師在內的七名美國宇航員在起飛73秒後便命喪藍天。之後，著名物理學家理乍得·費曼參與了這次事故調查，並向公眾演示了一個簡單的“冰水實驗”。原來，故障背後的物理原因竟是一個小小的O形墊圈，驚天事故是因材料性質變化而起！類似於一個普通墊圈，使用那個O形墊圈的目的是為了密封，防止噴氣燃料的熱氣從連接處泄露出來。但由於航天飛機發射當天的氣溫過低，制環的橡膠材料在低溫下失去了應有的彈性，因此使得其中一個O形墊圈失效，從而使熾熱的氣體漏出，點燃了外部燃料罐中的燃料，並最後導致一系列爆炸的連鎖反應。
在1988年，也曾經因為飛機上一個金屬材料小零件的壽命問題，引發了從美國夏威夷島希洛國際機場起飛前往檀香山的波音737客機機身產生裂縫，險些釀成巨大空難。
材料的重要性，從100多年來頒發的諾貝爾物理學獎、化學獎中也可見一斑。諾貝爾獎得主中，因發現和研究材料而得獎之人，占據了不小的比例。能信手拈來的便有以下幾個。
肖克利、布拉頓、巴丁三位美國物理學家，因研究半導體並發現晶體管效應，共同分享了1956年諾貝爾物理學獎，人類社會從此開啟了“硅時代”。引領科技潮流幾十年的計算機和信息技術中必不可少的集成電路，便是建立在半導體硅材料的基礎之上。
美國人安德森、範弗萊克和英國人莫特，因對磁性和無序系統的電子結構的基礎性研究，共同分享了1977年諾貝爾物理學獎。安德森研究非晶態物質，創立了凝聚態物理的局域化理論，使新超導材料等大展宏圖；範弗萊克等對抗磁性和順磁性物質研究做出重大貢獻；莫特則研究過渡金屬等固體材料。
德國化學家施陶丁格提出的“大分子”概念，推動了塑料、合成橡膠、合成纖維等工業的蓬勃發展。施陶丁格也因此榮獲1953年諾貝爾化學獎。如今，高分子合成材料與金屬材料、無機非金屬材料並列構成材料世界重要的三大類別。
1996年，英國人克羅托及另兩名美國科學家柯爾和斯莫利，因發現碳元素的新形式——富勒烯C60而獲得了當年的諾貝爾化學獎。
本書將要介紹的材料——石墨烯，其發現者榮獲了2010年的諾貝爾物理學獎，也是近年來材料研究與諾貝爾獎掛鉤的著名例子。英國曼徹斯特大學的海姆和諾沃肖洛夫兩位教授在石墨烯材料方面進行的卓越研究，開啟了新型納米材料研究應用的大門，使石墨烯及更多的納米材料成為近年來備受關注的研究課題。石墨烯具有很多優異特性，如高導電性、高導熱性、高比表面積和優異的機械性能等，在很多領域都有很好的應用前景。因此，此類研究熱潮至今未衰。
如今的材料學是一個多學科領域，涉及物質的性質及其應用。隨著近年來納米科學和納米技術的蓬勃發展，材料學被推到了高科技的前沿。
納米技術又是什麼呢？就大小而言，它指的是研究結構尺寸在0.1～100 nm範圍內材料的性質和應用。實際上，納米技術的目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品，是一種操作和使用單個原子、分子來構造物質結構的技術。
納米技術的想法最早來自美國物理學家理乍得·菲利普斯·費曼。早在1959年，費曼就天才地預言，如果我們能夠從單個的分子甚至原子開始進行組裝和控制以達到人類的要求的話，這將會極大地擴充人類獲得物性的範圍。這便是納米技術靈感的來源。
如今，各種新材料多到令人眼花繚亂、目不暇接。而下一個量子時代哪種材料將嶄露頭角並成為主要的物質載體呢？有人認為很可能是石墨烯。
石墨烯在大小和結構上屬於二維納米材料，盡管可以說它的小規模“碎片”原本就天然存在於石墨中，但是對它的深入研究和應用卻離不了納米技術，石墨烯的發現大大促進了納米材料合成技術的發展，並且石墨烯涉及的物理理論深奧，牽扯的應用前景可觀。對它的研發，能夠加速新材料在各個領域的廣泛應用，其原理涉及量子理論、狹義相對論及數學中的拓撲學。因此可以說，石墨烯是來自象牙塔的新材料，它不僅是材料學家的寵兒，在工程應用方面也大有用武之地，理論上還可能幫助人們對量子理論進行深入探究，撥開其中的層層迷霧，為理論物理學的發展和突破做出貢獻。
但是，有關石墨烯的性質和理論研究，多出現在高檔次雜志及專業書籍中。對公眾而言，大多數是知其然而不知其所以然。有關石墨烯的應用，媒體報道中也不乏炒作夸大之詞，給公眾造成許多混淆和疑惑。
那麼，石墨烯到底是什麼？它有何神奇之處？與其相關的物理原理和應用前景究竟如何？有關石墨烯的書籍中，專業的太專業，一般科普的又過淺顯，市場需要一本能夠以通俗的語言，深入淺出地為公眾解釋這種新材料，還其物理本質的科普讀物，這便是本書寫作的宗旨。
我們希望本書可填補專業書籍與淺科普書籍的間隙。通過閱讀本書，既能使廣大讀者增長科學知識，又能激發年輕人對物理學及材料科學的興趣，引領他們邁進科學技術的大門。此外，與石墨烯有關的技術應用不僅需要材料的更新，更重要的是原理上的提升。因此，本書也將使得各個相關領域的研究開發人員受益，幫助他們廣開思路，獲得啟發，並將這種新材料進一步發揚光大，造福人類。
作為歷史回顧，在本書的第一講中，我們通過石墨烯的發現過程，為讀者講述有關研究者們饒有趣味且頗具傳奇色彩的科研故事。接著的第二講，則簡要介紹理解石墨烯物理必不可少的一些量子力學知識和術語。為了更形象地認識石墨烯所涉及的微觀世界，在第三講中，借用幾種石墨烯研究中常用的實驗檢測方法，給讀者描繪出一幅原子及亞原子世界的直觀圖。
石墨烯的特殊性質，來源於它的二維晶體結構。特別是其電子輸運性能，與其能帶結構密切相關，因此我們需要懂得一點固體物理及能帶論的知識，這是第四講的內容。第五講簡單解釋石墨烯能帶狄拉克錐的相對論特性。第六講則從普及和趣味的角度，介紹石墨烯與拓撲學的關係。
“石墨烯”一詞的原意，指的是具有單層原子結構的二維晶體。因此，本書前半部分的理論以及對這種新材料神奇性能和特點的解讀，基本上都是針對理想結構的石墨烯而言。然而，現實中制備出來並得以應用的石墨烯材料，卻遠遠有別於這種理想晶體。因此，在第七、第八講中，也淺談石墨烯的制備方法，並對得到的各種派生材料及其應用前景做了一些簡短地概括和介紹。
書中實例豐富、解釋通俗、表述流暢、寓意深刻，既宜淺閱也可深讀，盡量做到滿足各個教育水平層次的讀者的閱讀興趣。本書涉獵的知識範圍廣泛，既有量子、拓撲一類的純科學，又有與材料相關的工程技術。希望能將現代科學技術中的許多領域，包括物理學和數學中的一些基礎理論以及多種應用技術，通過神奇的石墨烯而串聯到一起。
張天蓉
2019年12月
目次
第一講 背後的故事
一 何謂石墨烯/002
二 石墨烯之父的隨機漫步/008
三 磁懸浮青蛙和壁虎膠帶/012
四 膠帶粘出諾貝爾獎/017
五 興旺的碳原子家族/021
第二講 量子世界
一 撥開迷霧求本質/032
二 既是粒子又是波/037
三 量子穿墻術/040
四 自旋/043
五 全同粒子/047
六 量子糾纏/050
七 波函數是什麼/053
八 不確定性原理/055
九 量子測量和波函數塌縮/057
十 概率的本質/060
第三講 細觀石墨烯 063
一 原子和電子云/064
二 共價鍵和雜化軌道/069
三 首次窺探原子內部/073
四 顯微技術知多少/077
五 光譜分析法/085
六 角分辨光電子能譜學/088
七 實驗探測石墨烯/092
第四講 晶格和能帶
一 結構決定性質/098
二 何謂晶體/101
三 何謂能帶/109
四 導體、絕緣體、半導體/115
五 晶體中的自由電子/118
六 有效質量和能帶圖/120
七 有效質量的意義/123
第五講 能帶和方程
一 石墨烯的能帶/128
二 能帶的形成/131
三 薛定諤方程/136
四 狹義相對論/138
五 狄拉克方程/141
六 狄拉克錐/144
第六講 拓撲世界
一 橡皮膜上的幾何學/150
二 經典霍爾效應/154
三 量子霍爾效應/160
四 石墨烯中的霍爾效應/164
五 “冰糖葫蘆”模型/167
六 電子自旋舞/174
七 霍爾效應大家族/179
八 石墨烯和拓撲絕緣體/181
第七講 新型材料
一 石墨烯的制備方法/186
二 石墨烯的“近親”/194
三 石墨烯的衍生物/200
四 超導和石墨烯/204
五 二維材料/212
六 三維石墨烯/217
第八講 應用和前景
一 能源材料/220
二 電子器件/225
三 既柔又剛的超薄材料/228
四 輕質的超強材料/230
五 環境凈化/231
六 生物醫學/234
七 石墨烯和玻璃/237
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