为什么说石墨烯在发现前被认为是不可能存在的？
要理解为什么石墨烯在被发现前“看似”是不可能存在的，我们需要深入探讨一下当时的科学认识和物质结构理论。这不仅仅是一个简单的“没想到”，而是触及了物质稳定性、热力学以及实验观测的极限。
历史背景：对二维材料的认知局限
在石墨烯被成功分离出来之前，科学界对物质的普遍认知是：
三维是常态： 我们日常接触到的几乎所有固体物质都是由原子在三维空间中以一定结构堆叠形成的。即使是薄膜，也至少有几个原子层厚，才能维持其晶体结构和稳定性。
热力学不允许孤立存在： 从热力学的角度看，单个原子层厚度的材料，其表面积相对于体积的比例是极高的。大量的原子处于“边缘”位置，这些边缘原子往往比内部原子拥有更高的能量，更容易与其他原子发生反应，或者在热扰动下变得不稳定。当时的理论认为，如此高的表面能会使得一个完全孤立的单原子层在任何宏观尺度下都难以维持其结构完整性。想象一下，如果只有一个原子层，它没有“背面”的原子来提供支撑和结合力，它很容易就会卷曲、折叠，或者因为表面能过高而解体。
静电排斥问题： 在石墨烯（由碳原子构成）这样的结构中，每个原子都处于一个高度对称的平面中，且每个原子都含有相同的电荷（虽然电子是共享的，但原子的核电荷是正的）。理论上，在一个平面上，同种电荷会产生巨大的静电排斥力，将它们推开。要克服这种排斥力并维持一个稳定的二维结构，需要非常强的化学键合力。
当时理论模型的推演：为什么会认为是不可能的？
基于上述认知，科学家们在思考材料的结构时，往往会套用已有的三维晶体模型。即使考虑二维平面，也通常是指具有一定厚度的薄层，而不是真正意义上的“单原子层”。
1. Lattice Vibrations (晶格振动) 的影响： 即使一个单原子层理论上可能存在，任何温度下的热运动都会导致原子在平衡位置附近振动。在一个二维平面上，这种振动会更剧烈，尤其是在边缘区域。振动的幅度一旦超过原子键的允许范围，结构就会被破坏。当时的统计力学和固态物理学模型倾向于认为，在非零温度下，二维晶格的振动会引发“朗道临界点”效应（Landau critical point），导致二维晶格在宏观尺度上变得不稳定，自发地出现皱褶、卷曲，从而失去其二维平面特性。简单来说，就是热能足以把一个“完美”的单原子层搞乱，让它不再是那个平整的二维结构。
2. 表面能的考量： 如前所述，高比例的表面原子意味着极高的表面能。为了降低表面能，物质倾向于减少其暴露在外部的表面积。一个单原子层具有极高的表面能，从能量最低原理出发，它应该倾向于寻找其他方式来降低能量，比如与其他物质结合，或者形成三维结构。
3. 实验技术的局限： 即使理论上可能存在某种形式的单原子层，当时的实验技术也难以将其分离、观测和验证。我们无法用肉眼看到原子，也难以精确操控到单层原子级别。虽然早期科学家们也研究过非常薄的材料，比如用化学方法获得的极薄金属片或者半导体薄膜，但它们的厚度通常还是几十到几百个原子层，并且即便如此，也经常伴随有缺陷和不规则性。真正意义上的、大面积的、完美的单原子层材料，在分离和表征技术成熟之前，是难以想象和验证的。
然而，“不可能”是一种科学上的谨慎表述，而不是绝对的真理。
科学研究往往是在探索已知边界的过程中前进的。当时认为不可能，是基于当时主流的理论模型和实验能力的推演。这个“不可能”更像是一种“在现有理论框架下难以维持稳定且无法被实验证实”的陈述。
石墨烯的出现是如何颠覆这一认知的？
石墨烯的发现者（安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫）之所以能分离出石墨烯，并证明其存在和稳定性，关键在于：
独特的化学键合： 石墨烯中的碳原子通过sp2杂化形成强共价键，构成六边形蜂窝状平面。这种键合方式提供了极高的强度和稳定性，足以抵抗住上述的静电排斥和热扰动。
实验方法的创新： 他们采用了最简单的“胶带法”（Scotch tape method）。通过反复用胶带粘贴和撕扯石墨，将石墨块上的石墨烯片一层层剥离。这种方法非常巧妙地利用了石墨烯层与层之间的范德华力相对较弱的特点，并且在撕扯过程中，石墨烯片会依附在胶带上，使其能够被分离出来。
高精度观测手段的进步： 他们使用了原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）等高精度仪器来观测和证实这些分离出来的薄层确实是单原子层厚的石墨烯。
总结来说，为什么石墨烯在发现前被认为是不可能存在的，是因为：
1. 当时的科学理论认为，如此低维度的二维晶体，在宏观尺度下无法克服热力学不稳定性和高表面能的限制，会自然分解或卷曲。
2. 普遍认为，需要三维结构或至少是多层结构才能提供足够的稳定性。
3. 当时缺乏能够分离和精确验证单原子层材料的实验技术。
石墨烯的出现，恰恰证明了我们对物质稳定性的理解并非完美无缺，同时也极大地推动了对二维材料及其性质的研究，打开了全新的科学和技术领域。它告诉我们，即使是看似微不足道的细节（比如只差一层原子），也可能带来革命性的变化。
历史背景：对二维材料的认知局限
在石墨烯被成功分离出来之前，科学界对物质的普遍认知是：
三维是常态： 我们日常接触到的几乎所有固体物质都是由原子在三维空间中以一定结构堆叠形成的。即使是薄膜，也至少有几个原子层厚，才能维持其晶体结构和稳定性。
热力学不允许孤立存在： 从热力学的角度看，单个原子层厚度的材料，其表面积相对于体积的比例是极高的。大量的原子处于“边缘”位置，这些边缘原子往往比内部原子拥有更高的能量，更容易与其他原子发生反应，或者在热扰动下变得不稳定。当时的理论认为，如此高的表面能会使得一个完全孤立的单原子层在任何宏观尺度下都难以维持其结构完整性。想象一下，如果只有一个原子层，它没有“背面”的原子来提供支撑和结合力，它很容易就会卷曲、折叠，或者因为表面能过高而解体。
静电排斥问题： 在石墨烯（由碳原子构成）这样的结构中，每个原子都处于一个高度对称的平面中，且每个原子都含有相同的电荷（虽然电子是共享的，但原子的核电荷是正的）。理论上，在一个平面上，同种电荷会产生巨大的静电排斥力，将它们推开。要克服这种排斥力并维持一个稳定的二维结构，需要非常强的化学键合力。
当时理论模型的推演：为什么会认为是不可能的？
基于上述认知，科学家们在思考材料的结构时，往往会套用已有的三维晶体模型。即使考虑二维平面，也通常是指具有一定厚度的薄层，而不是真正意义上的“单原子层”。
1. Lattice Vibrations (晶格振动) 的影响： 即使一个单原子层理论上可能存在，任何温度下的热运动都会导致原子在平衡位置附近振动。在一个二维平面上，这种振动会更剧烈，尤其是在边缘区域。振动的幅度一旦超过原子键的允许范围，结构就会被破坏。当时的统计力学和固态物理学模型倾向于认为，在非零温度下，二维晶格的振动会引发“朗道临界点”效应（Landau critical point），导致二维晶格在宏观尺度上变得不稳定，自发地出现皱褶、卷曲，从而失去其二维平面特性。简单来说，就是热能足以把一个“完美”的单原子层搞乱，让它不再是那个平整的二维结构。
2. 表面能的考量： 如前所述，高比例的表面原子意味着极高的表面能。为了降低表面能，物质倾向于减少其暴露在外部的表面积。一个单原子层具有极高的表面能，从能量最低原理出发，它应该倾向于寻找其他方式来降低能量，比如与其他物质结合，或者形成三维结构。
3. 实验技术的局限： 即使理论上可能存在某种形式的单原子层，当时的实验技术也难以将其分离、观测和验证。我们无法用肉眼看到原子，也难以精确操控到单层原子级别。虽然早期科学家们也研究过非常薄的材料，比如用化学方法获得的极薄金属片或者半导体薄膜，但它们的厚度通常还是几十到几百个原子层，并且即便如此，也经常伴随有缺陷和不规则性。真正意义上的、大面积的、完美的单原子层材料，在分离和表征技术成熟之前，是难以想象和验证的。
然而，“不可能”是一种科学上的谨慎表述，而不是绝对的真理。
科学研究往往是在探索已知边界的过程中前进的。当时认为不可能，是基于当时主流的理论模型和实验能力的推演。这个“不可能”更像是一种“在现有理论框架下难以维持稳定且无法被实验证实”的陈述。
石墨烯的出现是如何颠覆这一认知的？
石墨烯的发现者（安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫）之所以能分离出石墨烯，并证明其存在和稳定性，关键在于：
独特的化学键合： 石墨烯中的碳原子通过sp2杂化形成强共价键，构成六边形蜂窝状平面。这种键合方式提供了极高的强度和稳定性，足以抵抗住上述的静电排斥和热扰动。
实验方法的创新： 他们采用了最简单的“胶带法”（Scotch tape method）。通过反复用胶带粘贴和撕扯石墨，将石墨块上的石墨烯片一层层剥离。这种方法非常巧妙地利用了石墨烯层与层之间的范德华力相对较弱的特点，并且在撕扯过程中，石墨烯片会依附在胶带上，使其能够被分离出来。
高精度观测手段的进步： 他们使用了原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）等高精度仪器来观测和证实这些分离出来的薄层确实是单原子层厚的石墨烯。
总结来说，为什么石墨烯在发现前被认为是不可能存在的，是因为：
1. 当时的科学理论认为，如此低维度的二维晶体，在宏观尺度下无法克服热力学不稳定性和高表面能的限制，会自然分解或卷曲。
2. 普遍认为，需要三维结构或至少是多层结构才能提供足够的稳定性。
3. 当时缺乏能够分离和精确验证单原子层材料的实验技术。
石墨烯的出现，恰恰证明了我们对物质稳定性的理解并非完美无缺，同时也极大地推动了对二维材料及其性质的研究，打开了全新的科学和技术领域。它告诉我们，即使是看似微不足道的细节（比如只差一层原子），也可能带来革命性的变化。
网友意见
RT，是因为量子力学的不确定性么？发现石墨烯对量子物理有什么革命性的改变么？
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