石墨烯能構成石墨，為什麼鉛筆芯不比石墨烯硬韌呢？

12-09

石墨烯能構成石墨，為什麼鉛筆芯不比石墨烯硬韌呢。

來辟個謠：石墨烯一點都不硬（hard）。

不知道是不是翻譯的問題，很多新聞會宣稱石墨烯是世界上最硬的材料。但實際上，這個說法相當有問題。

石墨烯所謂的「硬」，和我們日常生活中說的「硬」，其實是兩碼事。

前者，指的是石墨烯面內受益於碳碳鍵巨大鍵能而產生的強大的力學性能，使得其很難被外力「撕碎」。用題目中的詞來說，其實更接近於我們理解的「韌」。

後者，根據不同定義，通常指的是固體抵抗外力劃或壓的能力。比如鐵可以在鋁表面划出劃痕，就認為鐵比鋁硬。

前者，是stiffness。中文也有硬度的意思，但更合適的翻譯可能是「剛度」。

後者，是hardness。這才是我們通常意義上的硬度。

當然了，石墨烯的「強度（strength）」也非常高。但是如果說石墨烯是最強的材料，是不是會讓人云里霧裡的，並且要追問……強在哪？

總而言之，石墨烯這種近乎於二維的材料，力學性能是好，但硬是不可能硬的，這輩子都不可能硬的。隨隨便便給點外力就會形變，只有在面內靠著碳原子之間的鍵能，才能勉強維持個高強度高剛度的人設。非要和宏觀物理比硬度，那簡直是自取其辱。

石墨烯是單層，力學性能非常好是因為sp2雜化的C-C鍵，hopping energy在3.16eV

石墨是很多層石墨烯，層間沒有共價鍵連接，只有非常弱的范德瓦爾斯力，能量在0.39eV。

材料的強度由最弱的一部分決定，所以石墨比石墨烯強度差了非常多。

首先介紹一下石墨，石墨是生活中常見的一種物質，比如說鉛筆芯就是石墨。石墨是一種六邊形的層狀結構，每一個平面都是由碳原子形成的正六邊形所連接起來的片層結構，層與層之間以范德華力結合起來。而石墨烯就是其中的一層，這種僅由一層碳原子構成的結構就是石墨烯。

在2004年的時候，英國曼切斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫偶然的用膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，石墨薄片也一分為二，如此反覆，就得到了越來越薄的僅由一層碳原子構成的石墨薄片——石墨烯。

為什麼石墨那麼軟，而石墨烯又表現得那麼「硬」呢？浙江大學信息電子工程學院副教授林時勝介紹說，其實這裡涉及兩個不同的概念，一個是強度，這是力學概念，一個是硬度，屬於物理概念。

石墨烯的「硬」，是指強度高，衡量強度的指標是楊氏模量，根據楊氏模量的高低可以把物質分為硬物質和軟物質。石墨烯的模量非常高，可達1T帕（壓強單位），是材料里最高的，所以石墨烯是硬物質，可以說是很硬。相應的像橡膠這些，模量只有幾千帕，就是軟物質，很軟。

石墨烯的「硬」指的是石墨烯的強度很好，就是它抗斷裂的能力很強，這也和它的韌性很好有關係，因為容易延展而不斷裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。

再說石墨的軟，這是物理概念，指的是硬度。硬度的衡量，是用一種材料去破壞另一種材料，被破壞的硬度就小。石墨的片層之間是范德華力，非常弱，只要用固體去劃它，都能把它的片層錯開，所以石墨很容易被破壞，就是說石墨很軟。

石墨烯的硬度是原子硬度，而石墨的質軟主要原因是外力施加到石墨上時，主要克服石墨片層間的范德華力。

因為石墨烯是蜂窩狀的碳原子，

如果我沒記錯的話，這些碳原子是和周圍的三個碳原子是共價鍵（Covalent bond）連接。

破壞共價鍵需要的能量比較大。（這句是以中學的化學功底來回答的）

然後石墨是石墨烯以范德華力（Van der waals force）也就是分子間作用力堆疊在一起。

其實可以很好的理解，

一張紙我們需要很大的力氣才能夠把它橫向拉成兩張。（我做不到）

然後，一疊紙，我們可以很輕易的把一張又一張的紙左右劃開。

石墨烯可以看作一張紙，石墨可以看成幾百萬張紙。

圖的話，請看下面的鏈接。

有哪些看似平平無奇的生活用品，其發現的過程卻是足以拿諾獎的？?

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石墨烯層間滑移很容易

因為他從微觀上將是一層一層得啊

碳能構成石墨，也能構成金剛石

同素異形體本身性質差異就很大，不能簡單的看

鉛筆芯寫字，靠的是在紙上摩擦，石墨層留在紙上，而不是靠書寫打斷C-C鍵，那可真是大力出奇蹟了。

石墨烯的硬，並不是硬度，兩者是有區分的。

石墨烯是石墨一層層揭開，可以理解為單分子層的石墨。受力時沒有石墨中一層層的滑動當然，強度韌性都會很高。

石墨烯原子之間以共價鍵結合，結合力比較大；而鉛筆的石墨還存在一種范德華力的結合，這個結合力比較小。所以感覺鉛筆芯比較軟，就像你翻開一摞布很容易，但是想把布撕破就要難多了

一個宏觀，一個微觀，石墨烯力學性能是很好，但是也只存在他本身那個微觀尺度。舉個例子，沙子很硬吧，你把沙子捏成一個團，會硬韌嗎，宏觀力學性能的決定因素不僅僅是由於原子間的鍵的強弱，問題複雜的很

百度了一下，固體物質的性質。以硬度和韌性來說，取決於最弱的鍵，比如石墨，層與層之間是以分子間力相互作用的，所以石墨非常軟，且很滑。

石墨烯是從石墨中剝離出來的一層，它是以蜂巢狀的碳原子之間以碳碳鍵結合後，再有一個超大的離域鍵，這樣的鍵強度是超過金剛石碳碳鍵的，所以石墨烯韌性很強，就和你題目中設問的一樣。

存在聚苯這樣的物質，聚苯的導電性能優於石墨，但是要說到它的強度，和石墨烯差得多。因為石墨烯是一個完整的蜂巢結構，而聚苯中存在氫原子，苯單元和苯單元之間的鍵強度也沒有石墨烯高。所以聚苯不如石墨烯

2019-11-04

要說是石墨烯的彈性模量及剪切強度都是計算出來的都是以偏概全，實際上是利用拉曼光譜及原子力顯微鏡先測量出來，再用單位換算方式求出可承受的壓力。哥倫比亞大學物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面研究，在試驗過程中他們選取了一些在 10-20μm 之間的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在一個表面被鑚有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在 1.0-1.5μm之間。之後，他們用金剛石製成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。研究人員發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們在每 100nm 距離可承受的最大壓力，竟然達到了2.9 微牛頓，據科學家們測算結果，這一結果相當於要施加 55 牛頓的壓力，才能使 1m 的石墨烯斷裂。