畅想一下在不久的将来，我们生活中的所有物品都将是多功能的，《星际迷航》《银翼杀手》《头号玩家》等科幻电影中的未来世界甚至也会成为现实，而这一切都要归功于性能特殊、可变形、可编程的新型材料——石墨烯。
作为当今科学界和产业界当之无愧的“明星新材料”，石墨烯是一种单片厚度只有一个原子大小的二维碳材料，它拥有无与伦比的特性和巨大的应用价值，在现代信息产业、航空航天、国防军工、生物医学、能源与环境等领域都将带来颠覆性的技术变革，几乎覆盖人类的一切活动领域。
在这本跨越科学、经济、历史的作品中，NASA物理学家莱斯·约翰逊和纳米技术领域科学家约瑟夫·米尼将带你俯瞰一整部新材料科学发展史，你可以把握近几十年来令人兴奋的创新浪潮，了解石墨烯在人工智能、星际探索、基因工程、脑机接口等前沿领域正在创造的奇迹，深刻洞察现代文明即将面临的崭新纪元。

莱斯·约翰逊，三度荣获美国国家航空航天局（NASA）杰出成就奖，石墨烯太阳帆太空推进关键技术专利权人，《美国国家地理》专访“特色星际探索家”，“Discovery探索频道”系列节目“不可能的物理”特邀嘉宾，美国国家太空协会、世界未来学会及门萨俱乐部成员，莱斯·约翰逊是NASA众多太空和星际推进项目管理者，也是NASA太阳帆深空任务的首席研究员。他曾于2018年完成“近地小行星侦察兵”任务；他负责的“太阳巡洋舰”任务将使用巨型石墨烯太阳帆推动航天器驶向太阳，计划于2025年完成。
在社会公众眼中，莱斯是“比摇滚明星还酷的物理学家”；他不仅是众多科普读物和科幻小说的作者，还曾担任科幻电影《欧罗巴报告》《迷失太空》的技术顾问。莱斯是各大国际公共论坛的常客，经常接受CNN、NPR、福克斯新闻等媒体的专题访谈。

第一部分 发现与争议
第1章 碳，随处可寻的碳！
德谟克利特的苹果与原子论
自然界的任何分子，人类都能合成
碳原子的魔术：将苯变成石墨烯
空心“球”富勒烯：藏在眼皮底下的化学物质
剥下单一的碳原子层
第2章 碳基纳米材料的认知之旅
“碳科学女王”的故事
碳研究的爆炸式发展
为什么碳纤维被商业化，碳纳米管却无法上位？
石墨与更小、更高效的电路：纳米晶体管技术小史
第一个富勒烯模型——成功冲击诺贝尔奖
第3章 “玩乐时间”里的意外产物
“透明胶带万岁！”
谁才是石墨烯的最早发现者？
第二部分 融入我们的生活
第4章 正在崛起的神奇材料
从铝的往事说起
在家都能制造的万能材料
如何解决存储的难题？
细胞之敌：有毒的新材料
改造人的未来不是梦
第5章 即将成为快消品？
其他材料的失败之处，正是石墨烯的成功之所
从轮胎到袜子，石墨烯将无处不在
第6章 石墨烯超级电荷
比银还完美的超导体
化石燃料的替代品
一个褶皱，把石墨烯变成半导体
第三部分 新材料的功与过
第7章 颠覆性创新简史
激光、微处理器和互联网
高温超导体的滑铁卢
冷核聚变：20世纪最后10年的热潮
塑料改变世界，石墨烯也将如此
第8章 从实验室到市场，石墨烯的应用之路为何如此艰辛？
来自经济学定律的狙击
旧材料有效，而且我们用过
这是一场专利之战
第四部分 未来黑科技已来？
第9章 太空中的石墨烯
与航天仪器合为一体的未来宇宙飞船
想在有生之年抵达恒星，你一定需要石墨烯太阳帆
太空电梯与太空级3D打印机
第10章 石墨烯生控体系统
我们都是赛博格
能够检测DNA的传感器，将让早期癌症无所遁形
脑机接口：从操控机械臂，到制造性高潮
第11章 决战元素周期表
可编程材料让纳米机器走进人体
天然与人造的“烯”家族
亲历一次人类文化的终结
后记
致谢
附录

21世纪的“万能新材料”
你可曾设想过人类会发
现一种极尽纤薄的材料，这
种材料不仅拥有良好的导电
性能，而且足以支撑数百万
倍于其自身重量的负载，同
时兼具出色的渗透性能，可
以高效过滤最为污浊的浑水
？你是否能够想象，构成这
种神奇材料的元素竟然与随
处可见的铅笔芯所含的元素
完全一样？
这种名为石墨烯
（graphene）的奇特材料
并非科幻小说中虚构出来的
东西。越来越多的科学家正
在加入石墨烯的研发队伍，
致力于在21世纪下半叶，使
其成为一种重要的支撑技术
材料。而热忱的创业者和企
业家们则更加迫不及待，他
们期待石墨烯能够在十年内
得到广泛应用。这真的有可
能吗？
石墨烯可谓简单而不失
精妙。它是由单一的碳
（Carbon）元素，通过一
种化学键形成的。石墨烯的
制备过程看似简单，但对于
化学家和物理学家而言，这
种材料的制备方法仍如同尊
贵的“圣杯”般得之不易。
尽管科学家已经拓展了
元素周期表，使其不止包含
地球上的近百种天然元素，
也绘制出了浩瀚的天文星系
图，甚至完成了人类基因组
测序，但这种仅用C①便可
表述的材料，却仍然是尖端
科学领域中科学家孜孜以求
的远大目标。为什么会这样
？主要是因为石墨烯很“善
于隐藏自己”。直到过去二
十年间，那些在其发现过程
中起到决定性作用的技术和
仪器才日趋成熟。
碳是构成石墨烯的唯一
元素，在我们身边随处可见
。这种元素在整个宇宙中含
量非常丰富，在所有元素中
排名第四。当谈到某种材料
时，多数人都会想到构成这
种材料的原子和分子，其中
分子是由特定种类和数量的
原子构成的。但对石墨烯而
言，碳原子的数量多少并不
重要。真正使石墨烯区别于
金刚石和石墨等其他纯碳材
料，进而表现出自身特性的
关键在于碳原子间的结合方
式。
从原子层面观察，单层
石墨烯看起来就像是一个由
六边形单位构成的铁丝网围
栏，每一个碳原子构成了六
边形的每一个顶点。这种六
边形的分布方式使石墨烯中
的众多碳原子能够分布在一
个平面上，并赋予石墨烯震
撼人心的强大特性。
石墨烯的这种特性不可
小觑。作为化学界中的“另
类”，石墨烯拥有扁平的二
维分子结构，因此单层石墨
烯只有一层原子那么厚。如
此单薄的架构也许会立刻令
你对石墨烯的结构稳定性产
生怀疑，然而这种由六边形
碳原子彼此结合形成的结构
，却使仅有一层原子那么厚
的石墨烯材料格外强韧。
对石墨烯的合理应用是
21世纪后半叶材料技术革命
的关键所在，但我们将为此
付出怎样的代价呢？谢天谢
地，这次我们无需付出沉重
的环境代价。石墨烯与现代
科技离不开的另一核心要素
稀土金属（rare-earth
metal）之间存在一个重大
区别。今天，钽
（Tantalum）、钦
（Neodymium）、镧
（Lanthanum）等稀土金属
已经融入了我们的生活，被
广泛应用于从智能手机到化
学药品的诸多产品中。
与稀土金属不同，发现
和分离石墨烯既不需要大批
的劳动力，也不需要重型设
备或者排成长龙一般装满污
染性溶剂的大桶。原因很简
单：构成石墨烯的元素碳在
我们身边随处可见。现在最
常见的石墨烯制备原料是矿
采石墨。与稀少难得的稀土
金属不同，石墨烯在我们日
常生活中的普及应用并不取
决于原材料的获取能力以及
由其引发的大国纷争，而是
取决于专业知识的积累，相
关的专利技术将成为决定胜
负的关键所在。
也许就在今天，就在刚
才，你已经合成出一些石墨
烯了，只不过合成出的量非
常非常小罢了。当你用铅笔
在笔记本上写下本周的购物
清单时，在手和指尖施加的
压力下，不起眼的石墨就会
被转变为数层石墨烯。然而
，如果石墨烯的制备方法如
此简单，而且在生物体中，
构成石墨烯的唯一成分碳扮
演着比氧（Oxygen）、氮
（Nitrogen）、氢
（Hydrogen）等元素还要
关键的角色，为什么石墨烯
到21世纪的今天，才成为人
类寻求破解的前沿课题呢？
这个问题的答案正是我
们想要在本书中讲述的内容
。石墨烯的故事是一个有关
意外发现的故事；也是一个
企业和政府竞相投入数十亿
美元资金，支持科技研发的
故事（尽管这种材料距离进
入寻常百姓家仍需时日）；
同时还是一个有关新材料的
故事，这种材料不仅将使我
们有能力创造出全新的事物
，还将颠覆我们创造新事物
的方式。
此前的技术革命教会了
我们许多事情。每一种新发
现都将我们引领进了全新的
实验领域，深化了我们对自
身能力的理解。化学电池使
我们能够存储能量，以备未
来使用（例如夜间照明）；
蒸汽使我们能够产生巨大的
能量，足以完成任何人畜都
无法完成的任务。而石墨烯
引发的新革命将助力我们撰
脱金属线缆的束缚。
如果你对科学、经济、
历史，或这三大学科的交叉
领域感兴趣，那么你多半会
喜欢这本书。如果你对石墨
烯已经有一些了解，那么你
也许会感到奇怪，想知道为
什么这项新发现会和历史扯
上关系，又是如何扯上关系
的。毕竟，作为一种代表未
来