石墨烯：快速，坚硬，便宜，而且不可能被使用
一个原子厚，石墨烯是已知细的物质而且可能是坚硬的。说明图解由查德．哈根（CHAD HAGEN)绘制直到安德烈。海姆（Andre Geim），一个在曼彻司特大学的物理学教授，发现一种叫做石墨烯的不寻常新物质前，他为人所熟知的实验就是用电磁铁让青蛙浮在空中。海姆，1958年生为苏维埃联邦，是一个杰出的大学生－在高中时代，他赢得了记忆一千页化学辞典的竞赛－但是他也有着非正统的幽默感的倾向。他在欧洲物理期刊（European Journal of Physics）发表青蛙实验，标题是《关於飞行的青蛙与飘浮器》，而在2000年，这个实验赢得了搞笑诺贝尔奖（Ig Nobel Prize），一个颁给愚蠢实验的年度大奖。同事们怂恿海姆去领奖，但是他拒绝了。他把青蛙飘浮视为他自己风格的完整部份，就是接受横向思考可以引导出重要的发现。在那之後很快，他开始为她的学生们主持『周五会议』，自由形式，一周结尾的实验，有的时候用一些啤酒作燃料。"周五会议所指的是不会有酬劳而且在你的专业生涯期间你也不会做的某件事。"海姆近这样告诉我。"好奇心驱使的研究。某种随机，简单，可能有点奇怪的－甚至是荒谬的事。"他补充，"没有了它，就没有了发现。"
在一个这样的傍晚，2002年秋天，海姆正思考着碳。他的专业在极微小的薄物质，而且他想知道一层很薄的碳在特定的实验条件下会有什麽样的表现。石墨，由原子厚度的碳层堆叠組成，是一种很明显可以用来实验的物质，但是用来分离超薄样本的标准方法就是让材料过热，摧毁它。所以海姆安排了他的一个新的博士研究生，江达（Da Jiang），任务是试着获得一个越薄越好的样本－或许只有几百个原子层厚度－藉由抛光一个只有一英寸的石墨晶体。几周後，江递出了一个在培养皿中的小碳颗粒。在显微镜下检视以後，海姆回忆，他要他再试一次；江承認這是僅存的晶體了。当海姆逗弄着劝告他时（"你把一座山磨光却只得到一粒沙？"），一个他的资深研究员垃圾桶中瞥见一个用过的透明胶带球，它有黏性的那一面覆盖着一个灰色的，轻微闪光的石墨残渣薄膜。
这应该是在全所有实验室中的光景，研究员例行公事地用胶带测试實驗樣品的黏性。构成石墨的碳层很微弱地连结着（因此，在1564年，被采用做成铅笔因为它脱落的部份在纸上拖曳的时候有着可以被看见的痕迹），所以胶带很容易就可以移除它的碎片。海姆放了一片胶带在显微镜下然後发现石墨层比他所见过的都还要薄。藉由折叠胶带，把残渣聚集一起然後在拉开，他就可以把碎片剥得更薄。
海姆已经分离出曾被发现的二维材料：一个原子厚度的碳层，在原子显微镜下，显现出扁平的六角格子状以蜂巢状结构连结着。理论物理学家已经推论出这样的物质，称之为"石墨烯，"但是假设这样的一个单分子层不能在室溫下被獲得－它应该被拆开成为显微静下可见的球体。然而，海姆看到，石墨还是维持在一个单一平面，发展中的波纹使得材料稳定。
海姆将一个名为康士坦丁．诺福斯洛夫的博士生的帮助列名，然後他们开始每天工作十四小时研究石墨烯。在接下来两年中，他们设计了一系列的实验揭开了这项材料的惊人属性。因为它独特的结构，电子可以经由其它层，用超乎寻常的速度与自由毫无阻碍地流过晶格。它能携带数千倍於铜的电子。海姆稍後稱這是"次找到了的時刻，"他们展示石墨烯有个显著的"场域效应，"这种反应只有一些材料放在一个电子场附近时才会显现出来，而这让科学家们可以控制传导性。场域效应是硅元素的显著特征之一，被使用在计算机芯片中，也有人建议石墨烯可以作为替代品－某种计算机制造者已经寻求多年的东西。
海姆和诺福斯洛夫写了三页的论文描述他们的发现。两次被《自然（Nature)》杂志拒绝，只因为有个读者陈述说分离一个稳定的，二维材料是"不可能的，"而另一个说这不是个充分的科学进展。"但是在2004年10月，这边论文，"在一个原子薄度的碳膜上的电子场域效应"被发表在《科学（science)》期刊，并且让科学家们吃惊。"那就有如科幻小说变成现实，"李润雨（Youngjoon Gil），三星技术院的执行副总裁，告诉我。
全的实验室开使用海姆的透明胶带技术做研究，而研究者们辨认了石墨烯的另一些属性。虽然它是在已知的宇宙中薄的材料，却比相等重量的钢坚硬150倍－确实，是被测量到坚硬的材料。它就如橡胶一样柔软而且可以伸展到它自己长度的120％。菲力普．金（Philip Kim)的研究，然后在加州大学，确定石墨烯比先前所表现出来的还具有更强的电子传导性。金把石墨烯悬浮在真空中，在那里没有其它物质可以让它的次原子粒子运动慢下来，而且显示出它具有"迁移率"－一个电子电荷流过半导体的速度－比矽原子快250倍。
在2010年，海姆和诺福斯洛夫发表论文之後的六年，他们得到了诺贝尔物理学奖。在那个时候，媒体称呼石墨烯是"神奇的材料，"一种物质，就像卫报（GUARDIAN）说的，"能改变。"物理学，电机，医学，化学，及其它领域的学术研究者聚焦在石墨烯，就好像科学家们组成了顶级电子公司。英国智慧财产局近发表了一个报告详列全激增的石墨烯相关的数，从2011年的3,018件到2013年初的8416件。这些建议了一个广大的应用阵列：超长寿命的电池，可弯曲的电脑萤幕，水的脱盐，改善太阳能电池，超快速的微电脑。在海姆与诺福斯洛夫的学术之家，曼彻司特大学，英国政府投资了六千万美元以协助设立石墨烯机构，试图让英国成为的大持有国：韩国，，和美国，所有以上的都进入了找到个使用石墨烯改变的竞赛中。
科技的进步从发现的那一刻到能转变为产品是缓慢又曲折的；科学家们间的舆论认为即使当事情很顺利，这也要花上数十年。保罗．劳特伯（Paul Lauterbur）和彼得．曼司菲爾德（Peter Mansfield）因发明MRI而在1973年分享了诺贝尔奖－几乎是在科学家们次了解能让机器运作的物理反应後的30年。而比瑞典化学家琼司．雅各．伯泽列厄司（J?ns Jakob Berzelius ）纯化在1824年矽原子，及半导体工业诞生之间，更超过了一世纪的时间。
更多的新發現在市場上面臨著强大的挑战。它们必须引人注目地便宜或比已经在销售的产品更好，并且它们必须是在经济范围内有助於生产制造。当一项材料来了，像石墨烯，作为一个偶然的发现，却没有目标性的应用，而还有一个障碍物是：想像力的极限。既然我们有了这个东西，我们该拿它怎麽办？
铝，於1820年代在很微量下被发现於实验室中，并被奉为神奇的物质，它有着从未在金属中见过的性质：重量轻，有光泽，抗锈，而且有高度的传导性。它可以从黏土里被分离出来（起初，它被称为"从黏土里来的银"），而认为它是有价值物质的想法是从一个很平常的链金术性质而来。在1850年，一个法国化学家设计了一个可以一次制造几公克的方法，之後铝很快就被应用在贵珠宝上。三十年之後，一个新的制程，使用电力，容许工业生产，价格也随之一泻千里。
"人们说，'哇！我们从黏土里得到这种银而且现在真的很便宜所以我们可以用在任何东西上，' " 罗伯特．弗里德尔，一个在马里大学的科技历史学家，告诉我。但是热情很快就冷却："他们想不出来能用它做什麽。"在1900年，席爾司與羅巴克百货（Sears and Roebuck)的目录上广告铝壶与铝平底锅，弗里德尔提到，'但是你无法找到任何我们能称之为'科技的'使用。"直到次大战之後，铝才找到它转变性的使用。"这个杀手级的应用就是飞机，在他们全都同心协力而且热衷於这项材料的时候，它甚至都还不存在。"
一些被高度吹捧着的发现完全失败。在1986年，I.B.M.研究员乔治．贝德诺兹（Georg Bednorz）和 K. 亚力克司．穆勒（K. Alex Müller）发现陶瓷比超导体更能被彻底运用。次年，他们赢得诺贝尔奖，然後一个巨大的乐观主义浪潮随之而来。"总统委员会被仓促地组成只是为了让美国处於的地位。"赛勒司．莫迪（Cyrus Mody），休士顿莱斯大学的科学历史教授说。"人们在接下来的几年内会谈论着飘浮的火车及无限传输线路。"但是在三十年的奋斗後，几乎没有人可以让易碎的陶瓷变得可以存活过每天的使用。
弗里德尔提供了一个大概的原理："越是创新的－越能打破模式－创新就是，我们不太可能想出它真正能够被用在何处。"迄今，包含石墨烯的消费产品只有网球拍和墨水。但是很多科学家坚持它不寻常的属性後会引导出一个突破性进展。根据海姆所说，汇集的金钱与研究者已经加速到实际运用的一般的时程。"我们从亚微米碎片开始，甚至只能用光学显微镜才看得到，"他说。"我从未想像过在2009，2010年左右，人们已经开始以平方米制造这个材料。这真是个机端快速的进展。"他补充，"一旦有人看到金矿，於是从很多不同研究范围的重装备就会被应用上。那时候人们就会想，我们真是很有发明才能的动物。"
三星，韩国背景的电子巨人，持有石墨烯多数的，但是在近几年，研究机构，而不是企业，已经不再那麽积极。一间与三星合作的韩国的大学，在学术机体系间屈一指。两间的大学分居二三位。第四名是来斯大学，在过去两年间申请了33个，几乎都是从一个名叫詹姆士．杜尔（James Tour）的教授所运作的实验室而来。
杜尔，55岁，是一个人造有机物化学家，他开朗的人格特质与企业家的活力让他看起来更像监看研究部门利润的总经理。一个矮小，有着黑眼睛的男人却拥有健身房肌肉的身体，在我近拜访他在莱斯的戴尔．巴彻（Dell Butcher）大楼办公室时，他喋喋不休地招呼我。"我的意思是，这个材料真是令人惊奇！"他谈着石墨烯。"你无法相信这个东西能做什麽 ！"杜尔，就像大多数资深的科学家，必须让他自己专住在研究与商业两者。他有两次出现在国会前警告联邦预算在科学上的删减，并说他的研究室能够增长是因为有竞争性的企业夥伴所担保的经费。他收取每一笔合约生意每年250,000美元，他的实验室净收入比一半多一点，这样他就可以雇用两个学生研究员和付出一年的材料钱。杜尔更多的工作包含了鞭策这些研究员的创造力（他们之中的25个献身於石墨烯）；他们就是设计出这些让杜尔销售的创新的人。石墨烯已经是个恩惠，他说，"有很多人进到这个范围来。并不只是学术机构而是企业，大张旗鼓地，从大型电子公司，像三星，到石油公司。"
杜尔有特别用不完的精力。在白原市一个世俗的犹太家庭被养成，在锡拉库扎大学当新鲜人时他再度成为基督教徒。已婚，有四个已长成的孩子，他每天早上3：40起床并祷告及研读一个半小时的圣经－接下来，一周数次，在健身房里运动－然後在早6：15到达办公室。在2001年，他因为签署《从达尔文学说而来的科学异议（A Scientific Dissent form Darwinisd》而成为头条，一个提昇智能世纪的请愿，但是他坚持这只是他反映他个人对有关於一个发生在分子层次的随机突变的疑虑。虽然他在电子邮件结尾说"上帝保佑，"他说，除开对神圣指引的祈祷习惯，他觉得宗教在他的科学工作上没有扮演任何的角色。
杜尔认可他的学生漫无目的的研究方法。"我们努力於适合我们奇想的任何事，只要能有奋力一击，"他说。作为化学家，他指出，他们尤其适合快速的实验，很多可以在几个小时内就产出结果－不像物理学家，他们的实验可以花好几个月的时间。他的实验室发表了131篇石墨烯的期刊文章－仅次於在奥斯丁的德州大学－而他的研究者们很快速地向美国及商标局提出暂时性的应用程序，这样在他们必须提出完整的声明前，能让他们的想法拥有一年的合法拥有权。"我们在提出前不会等太久的时间，"杜尔说；他催促学生们在48小时内要将报告写好。"我只是被许可我们的科技之一的公司通知说我们比人快了将近五天。"
很多他实验室近的发明被产业界设计来做立即的开发，供应基金以支持更有野心的工作。杜尔已经卖给添加石墨烯的油漆，它的传导性可能有助於移除直昇机螺旋桨上的冰，可以增加钻油效率的液体，及以石墨烯为基础的材料制成充气滑水道及用在飞机上的救生筏。他指出石墨烯是在地球上唯一对气体完全不渗透的物质，但是它几乎没有重量；越轻的救生筏及滑行道能够为飞机工业省下一年几百万美元的燃油价值。
在杜尔的实验室中，有一个很大，天花板很高的房间，紧密排着几列工作桌，还有许多穿着白色实验服及安全护目镜的年轻人正在工作着。杜尔和我在一张工作台旁停下来，那是卢瓦克．山谬尔（ Lo?c Samuels），一个安提瓜的毕业生，正在做一批用在脊髓损伤支架上的石墨烯胶。"与其只是用一个毫无功能的支架材料，倒不如用某种真正具有电传导性的东西。"山谬尔说，就好像他在珠宝商的浴室中旋绕着一支试管。"那有助於神经细胞，透过电力沟通，并互相连结在一起。"杜尔给我看後腿麻痹的实验室老鼠的视频。在一段视频中，两只老鼠在底部有英寸刻度的笼子里，拖着它们的後腿。在另一个视频中，上述的老鼠已经被治疗好，能正常地走路。杜尔警告说还要几年的时间F.D.A.才会允许人体试验。"不过这是个不可思议的开始，"他说。
在2010年，杜尔的一个研究者，亚历山大．史雷沙瑞夫（Alexander Slesarev），一个在莫斯科州立大学做研究的俄罗斯人，提出了石墨烯氧化物，一种在氧与氢分子结合在石墨烯上所创造出来的形式，或许能吸引有辐射性的材料。史雷沙瑞夫送了一个样本给在莫斯科州的前同事，在那里学生们把粉末放进含有核子物质材料的溶液中。他们发现石墨烯氧化物与这些辐射元素相结合，形成一个很容易被铲除的沈淀物。在那之後不久，在日本发生的地震与海啸创造出了一个毁灭性的核子物质溢出，杜尔随即飞到日本并将这项科技宣传给日本人。"我们此时正在福岛布署。"他告诉我。
在其中一张工作桌上的工作，是一个有着圆形，坦率脸孔的年轻人：25岁，名叫叶如全（Ruquan Ye）的博士生，他在去年设计了一个新方法制造量子点（quantam dots），高亮度的奈米粒子用在医学影像及电浆电视萤幕中。通常是从有毒化学物，如硒化镉及砷化铟中制造出微量，量子点的一个一千公克的瓶子就要花费一百万美元。叶的科技使用石墨烯从煤中分离，一吨只要100美元。
"方法很简单，"葉告訴我。他给我看一个装满了细微黑粉末的小瓶子：他磨碎了的无烟煤。"我把这个放进酸溶液中一天，然後用一个热金属片加热溶液。"藉由调整过程，他可以制造出发射好几种光频率的物质，制造出好几种颜色的光点作为肿瘤的个别标的。这种以煤炭为基础的光点很适合於人体－煤就是碳，而我们也是－这暗示叶的光点可以取代用在全医院中的高毒性光点。在实验室隔壁一个黑暗的房间中，他发射一束黑光在好几个透明液体的小瓶上。它们在发热的钢锭中散发着萤光：红，蓝，黄，紫。
杜尔通常拒绝将在他实验室中的发现归功於自己。"那都是学生们，"他说。"他们处於这个年龄，二十几岁，正是突触伸展的时候。我的工作就是启发他们并提供信用卡，然後引导他们爬出兔子洞。"但是他承认量子光点的想法是出自於他："有一天，我说，'我们必须找出煤里面是什麽。人类已经使用它五千年。让我们看看里面真正是什麽。我打赌它是石墨烯的小领域。'－然後，够确定的，它是。它就被放在那里。一个25％的产量。然後，记住，它可是一千公克一百万美元！"
杜尔转向他的实验室经理，保罗．车鲁库里（Paul Cherukuri），然後说，"我们总有一天会发财的，不是吗？"在车鲁库里笑的时候，他补充，"我每天都进来这里数钱。"
或许海姆与诺福斯洛夫在2004年的论文中所描述过逗弄人的属性是"电子迁移率"，随着它电子资讯可以流过石墨烯的表面。"我们电脑中的缓慢步调是将资讯从A点移动到B点，"杜尔告诉我。"现在你接受这缓慢的步调，矽原子电子中的大障碍，然後你介绍一种新材料然後－砰！突然，你增加了速度，并不是用一个十倍的因素而是用百倍的因素，甚至有可能更多。"
这个消息刺激了正奋战於跟上摩尔定律（Moore's Law），1965年由戈登．摩尔（Gorden Moore），英特尔的共同创立者所这设计，的半导体产业。每两年，他预测，电脑晶片的命运－及因此而来的效能－将会加倍。经过50年，工程师们已经经由微型化，包进更多数量的电晶体到晶片的方法－多达40亿个在一片指甲大小的矽胶片上－以跟上摩尔定律的脚步。工程师们更进一步用掺杂的矽：从其它元素引进原子已将晶格压紧的方法让电脑加速。但是这有一个限制。将晶片缩得越小，将电晶体移得更靠近，矽就会停止工作。快在2017年，矽晶可能不再能够跟上摩尔定律。石墨烯，如果可行，提供了一个解决方案。
"再多个五分钟，我就全是你的了，安希夫人。"然而，有一个问题。半导体，就像矽，是以它们在电子领域前的开和关的能力所定义的；在逻辑晶片，开关的过程生成0与1的电脑语言。石墨烯，一个半金属，不能够被关掉。起初，工程师们相信他们可以为石墨烯上涂料以打开一个"能隙（band gap）"，电气属性可以让半导体作为一个开关。但是在海姆与诺福斯洛夫的论文後十年，没有人成功地打开一个够宽的间隙。"你必须把它改变很多而让它不再是石墨烯，"杜尔说。确实，那些已经设法创造这样的一个间隙的人已经学到这会扼杀电子迁移率，致使石墨烯不会比我们现有使用的材料更好。这个结果已经确定让半导体公司意志消沈。
我近拜访汤玛士 J. 华生（Thomas J. Watson）研究中心，I.B.M.的主要研发实验室，主要的矽半导体晶片制造者。从纽约市往北半小时，这个中心座落在埃罗．萨里宁（Eero Saarinen）在1961年设计的一栋建筑物里。大量的弧形玻璃伴随着一个往上弯曲的前遮阳篷，它是对预测未来困境的一種紀念碑。萨里宁想像改变性的想法可能会从躺椅及咖啡桌放在高耸窗户旁的会议区工作的科学家团体中浮现出来。相反地科学家们在他们小小的，没有窗户的兽穴，看起来像是被设计作为後来添加的办公室中，花掉一天中太多的时间在电脑萤幕前弯腰驼背。
在一个狭小的办公室中，我遇到了苏普拉迪克．古哈（Supratik Guha），I.B.M.物理科学的总监并设立企业的研究策略。一个体贴的男人，很精准地了解杜尔的热情洋溢，古哈很遗憾围绕着石墨烯作为矽替代品的"过度宣扬"，并且很悲惨地谈论要引出能隙要花多大的力气，顶多，"一个主要的创新远走了。"他很快补充I.B.M.并没有结束掉石墨烯。在2014年初，这个企业宣称他们的研究人员已经建立以石墨烯为基础用在无线装置上的整合性电路，而这可以引导出更便宜，更有效率的手机。但是在追求以石墨烯替代矽的路上，古哈承认，他们几乎不抱希望。
而现在，I.B.M.的焦点还是在单壁碳奈米管上，这是在莱斯大学，由杜尔的指导者及教授，里克．斯摩利（Rick Smalley）所发展出。在80年代，斯摩利和他的同事们发现碳原子分子把它们自己安排成各式各样的形状；有些是球体（他称之为"巴基球"，因为它们与巴克敏司特．富勒（Buckminster Fuller）的测地拱顶相似）而其它的是管状。当研究者们发现管状可以作为半导体，这个材料马上被建议为取代矽的潜在材料。连同他的合作者，斯摩利在1996年赢得诺贝尔化学奖，并建议莱斯大学设立好几百万美元的奈米科技中心在後來由杜爾接管。然而碳奈米管无法轻易被推广。它们必须有能隙，但是建立一个使用它们的晶片需要操作数十亿个微小的物体进到精准的位置上－一个已经让科学家们困惑了约20年的困境。没有真正承认他已经对碳奈米管失去兴趣，杜尔告诉我说它们"从未真正良好的被商业化。"
在I.B.M.，已经投入超过十年的时间在这项研究上及数百萬美元在材料上，所以很不情愿承认失败。古哈把我介绍给乔治．杜勒夫斯基（George Tulevski），他协助成立I.B.M.的碳－奈米管研究计画。当我提到石墨烯，他表現出防卫性，这可能是在一个已经致力近10年在一项顽强科技上却被告知有一个富有魅力的新科技的科学家身上所预期得到的。"设备必须要能开关，"杜勒夫斯基说。"如果它不能被关掉，就会消耗太多的电力。没有办法把石墨烯关掉。所以那些电子跑得超快，这非常棒－但是你无法把设备关掉。"
赛勒司．莫迪（Cyrus Mody），历史学家，也同样地谨慎。"这个想法是有一种微电子形式，非常理论性，比现有的矽还要快，却不是新东西，"他告诉我。他指出约瑟夫逊结集电路（Josephson _junction ）的先例。在1962年，英国物理学家布莱恩．大卫．约瑟夫逊（Bryan David Josephson）预测电子将会以史无前例的速度流经由两个分离的超导体藉由一个"弱连结"的物质组合成的电流。这个洞察力引领出了诺贝尔物理学奖－及如指数般飞快的电子。
"很多人認為我们很快就会转向到约瑟夫逊结集微电路学上，"莫迪说。"但是当你认真制造一个有很多很多很多逻辑运算的电路并让这些很多很多这样的电路有很大的产量时，制造上的问题确实让它无法得以继续。而我认为当它们谈论石墨烯时，这是一个人们还没有真正考虑得很清楚的障碍。"
但是其它科学家争论这个障碍并非石墨烯的物理属性。"半导体产业知道如何引出能隙，"阿曼达．巴纳德（Amanda Barnard），一个理论物理学家，领导澳洲的国民健康科学与产业研究组织，告诉我。困难在於商业。"我们已经在投资大约几万亿美元在矽上面，而我们并不打算离开它。先，石墨烯必须与矽一同运作－它需要在我们现有的工厂和生产线及研究能力上运作－然後我们就会有些动力继续。"
杜尔有点同情半导体产业对石墨烯的失望之情。"I.B.M.已经是垂头丧气的因为他们只有单一思维，"他说。"他们必须生产电脑－而且他们有摩尔定律。不过那是他们自己的错误！还有其它的产业每18个月用双倍的绩效自我挑战吗？在化学产业，如果我们每年可以有1％高的产出，我想我们已经做得很好了。"
或许对这项材料广泛的思考者是汤玛士．帕拉西奥斯（Thomas Palacios），一个在麻省理工学院（M.I.T.）经营石墨烯设备与2D系统中心的西班牙科学家。与其使用石墨烯改善现有的应用，就像杜尔的实验室通常这麽做，帕拉西奥斯正试着为未来的建造设备。
在36岁时，帕拉西奥斯有着大学生的瘦长体型和会让狂暴的野心变得模糊不清的温柔的说话方式。作为一个电机工程師，他渴求"无所不在的电子設备，"增加到"百分百"的电子设备数目到我们的生活中。从他实验室的这个观点，这个可以有很大的提昇，如果每样物体，从窗户到咖啡杯，纸币，和鞋子都内建能量获取器，感应器，和发光二极管，這就能让它们很便宜地收集和传输资讯。"基本上，在我们身边的每样东西都能够依照需求将它自己转变成一种展示，"当我近拜访他的时候，他告诉我。帕拉西奥斯说石墨烯能够让这些成为可能；先，当然，它必须被整合到那些咖啡杯和鞋子中。
就像莫迪指出的，彻底的创新必须等待正确的环境。"这与破坏性的科技无关而是与一组科技间的连结性到达一个点而让它们可能去改变很多实务的时刻更有关系，"他说。"蒸气引擎在它们成为真正具有破壞性之前已经很长的时间到处都有。真正发生的是在经济的其它部份，其它与蒸气引擎连结的科技所造成的改变而让它变得更有效率也更令人满意。"
对帕拉西奥斯来说，關鍵的科技补充是3－D打印的进步。在他的实验室中，4个学生正在发展一個打印機早期原型，这能让他们创造出以石墨烯为基础并带有电"智能"嵌入的物体。跟随着马可．德．法西欧（Marco de Fazio），一个来自於义法半导体（STMicrolectronics），一间制造墨水喷头公司的科学家，他们聚集在一个小型的，半成品的，看起来像是万能工匠的奇妙装置放在像镜子的底座的设备上。"我们几个星期前才刚拿到这台打印机，"玛迪．艾比，一个绑着马尾的硕士生说。"它来的时候有配套组件。我们需要加入所有的电子设备。"她指着放在桌上的喷嘴。"这个现在只射出塑料，但是马可给我们的这些喷头可以印出石墨烯和其它类型的墨水。"
这个团体的成员们正在思考着如何整合石墨烯到他们印出来的物体上。他们可能混合材料到塑料中或仅仅将它印到存在物体的表面。而且还有强大的障碍。这些研究者已经搞清楚如何把石墨烯变成液体－并不是件简单的工作，既然这个材料是严格防水的，这也意味着它会结成块并阻塞喷头。他们先需要将石墨烯转变成石墨烯氧化物，加入氧与氢的分子团，但是这个过程会使它的电子属性失效。因此一旦他们印出这个物体就必须用雷射加热它。"当你把它加热，"艾比说，"你蒸发掉那些分子团然后让它回归到石墨烯。"
既然这个有可能但是不确定；她希望让这个装置工作三个月。"雷射需要更多从当局而来的认可，"她说，不怀好意的瞥了一下打印机的镜面底座－这一种可以完美地让激光束在整个房间中弹跳。德．法西欧建议他们用晶圆将它覆盖。
"那可能行得通。"艾比说。
"当然，这也是确认是不是因为我希望你生病。"
帕拉西欧斯体认到千禧年的改变只有在适度的，策略性的增量后来临。他提到三星，根据业界的传闻，正准备着发表次在屏幕中采用石墨烯的装置。"石墨烯只是一个小组件，用来传递电流到显示器上，"他说。"但是这是很让人興奮的次应用－它不需要成为我们正期待着的突破。那是一个石墨烯成为每个人的焦点的好方法，而且那个方法，为更多的投资做了证明。"在此同时，一个它的学生，于莉莉（Lili Yu），已经开始制作可弯曲屏幕的原型。
帕拉西奥斯，在他的办公室，告诉我说他大的野心目标是"石墨烯折纸，"用这种材料做成的纸可以折成模拟生物细胞内的胞器，及微细结构。"它不同于大自然对DNA所做的事，材料只是个一维的结构被折叠很多，很多，很多次而做成染色体。"如果这个方法行得通，它就可以被用来包装大量的计算机电力到一个微小的空间里。这可能会应用在医学上，他说，而且有种他称之为智能尘埃的东西－"东西就像灰尘粒子那么细小，但是却有功能性可以告诉我们大气中的污染，或是附近有感冒病毒。这些东西能够被链接到你的电话或到处都有的嵌入式屏幕，用来告诉你发生在你周遭的事。"
目前，挑战还是很固着的：科学家们还在试着设计一个成本－效率的方式来规模化制造石墨烯。像三星这样的企业使用德州大学所倡导的方法，在低真空的状态下加热铜箔到华氏1800度，然后注入甲烷气体以让石墨烯在铜的两侧"长成"一个原子厚度的薄片－非常像是结霜的晶体"生长"在窗玻璃上。然后用酸将铜蚀刻掉。如此产生的石墨烯在肉眼下不可见而且太易碎而不能接触任何东西除了为微电子所设计的仪器之外。这个过程很慢，吃力，而且太贵以至于除了大公司能够以外没有人可以负担。
在杜尔的实验室，一个26岁的博士后研究生名叫彭继伟（Zhiwei Peng）正在等待收到他所送出的论文的后评论员的信，在其中他详述了一个不需要过度加热，不需要真空，而且不需要气体就可以制造石墨烯的方法。（这篇论文后被核准发表。）彭几个月前在这个方法上跌了一跤。他在用雷射加热石墨烯氧化物的时候，他错过了样本，而意外地加热放置它的材料上，一个聚醯亚安的薄片。雷射碰触到塑胶的地方，留下了黑色的残渣。他发现这些残渣是好几层的石墨烯，松散地与氧分子连结在一起－就好像黏在海姆胶带上的残渣一样－能够被轻易的剥落至单层原子片。他展示给我看它如何运作，雷射来回追踪穿过一个聚醯亚胺薄片并且每一次经过就留下像针一样薄的材料殘渣。单一层石墨烯吸收2.5％的可见光；当层层堆叠，它们就开始变成黑色。在几分钟後，彭已经制造出一个卷曲的，无光泽的黑色晶格－或许只有一英寸宽，却值得数万美元。车鲁库里，杜尔的实验室经理，指着它说，"这是一场竞赛。"
科技研究公司高德纳（Gartner）用一种叫做技术成熟度曲线（Hyper Cycle）的分析工具协助投资着决定哪一种发现会赚钱。一个像草书小写 "r " 的曲线图，图表是一个发现从科技触发开始，很快爬升到膨胀期望的高峰，再下降到幻灭的低谷，然後，当实用性被发现，就会逐渐上升到生产高原期。这个含意并不是（或并不只是）大多数的发现没有如所期望的行动；典型上它是个新东西在宣传期公开後的某个时间变成有用了。
几乎每个我谈过话的科学家都建议石墨烯要将它自己好好装扮以大肆宣传。"只要是我们还处於使用电器设备的时代，它就是个在电力学上有用的材料，"阿曼达．巴纳德告诉我。"如果它在我们对电器设备不那麽感兴趣的时代来的话，这个宣传可能就不会那麽不成比例了。不过到那个时候，也没有同样的兴趣投资了。"确实，亨利．彼得罗司基（Henry Petroski），杜克大学的一个教授与《工程师是人（To Engineer is Human）》一书的作者说要吸引发展资金，宣传是必要的。但是他提出了一个附带条件："如果还在发现阶段就大四宣传而产品却辜负了这项宣传，那就是它终变得令人失望并被遗弃的一个方式。"
古哈，在I.B.M.，相信奈米科技的领域已经被过度销售了。"没有人会坚持从坏消息中得到利益，"他告诉我。"科学家们想要带来好消息，新闻记者想要报导好消息－对这个系统来说没有回馈控制。为了要发展一项科技，有很多的训练需要被带进来，有很多事要做，而这些可能一点都不迷人。"
杜尔同意，并且承认有一些共谋。"人们在我们身上放了一条不切实际的时程，"他告诉我。"我们科学家会有一种倾向去满足它－而我对那觉得有罪恶感。在几年前，我们设立一个分子电子设备。泰晤士报（The Time）的记者打电话问我，"这些什麽时候可以准备好？"我说，'两年'－而这事无稽之谈。我只是对它感到兴奋。"
俯瞰明显的困难到商业发展的推动力对科学家来说是一种流行病。海姆的论文，归根究底，提到了能隙的问题。"人们知道石墨稀是一种无隙半导体，"阿米尔哈山．诺尔巴克什（Amirhasan Nourbakhsh），一个专业在石墨烯的麻省理工科学家告诉我。"但是石墨烯表现出很高的电子迁移率－而迁移率在半导体产业是非常重要的。人们只是不屑一顾。"
根据历史学家，弗里德尔所说，科学家们依赖顽固坚定信仰认为一个明显的障碍物可以被克服。"有一种对怀疑的延缓程度就是好的研究需要被经营，"他说。"艺术的一部分－它还是艺术－来自於已知只是考虑到包容这个怀疑的延缓是合理的，至少是暂时的，并且在它还只是完全的幻想时。"罗德．凯文（Lord Kevin)，以在大西洋海床安装电信电缆线而闻名，很清楚地有能力俯瞰这个障碍。但并不总是如此。"在他於1907年过世之前，罗德．凯文很小心，很小心地计算一个比空气重的飞行器是不能可的，"弗里德尔说。"所以我们总是必须要谦卑一点。几个自行车的结构就可能随着一起来并证明我们是错的。"
近，从杜尔实验室中来的一些令人兴奋的专案也遇到了障碍。一种在石油钻探里使用的液体添加物，由资源公司斯伦贝谢（Schlumberger）的附属公司所发展，承诺让钻探工作更有效率并在地面上留下少的废物；相反的，装这种材料桶子在它被使用前就分解了。雇用杜尔的团队的公司要他们制造充气式滑道及救生筏以让飞机建造一个便宜的实验室。（杜尔对这个很冷静，部份是因为他知道他还是能从合约中赚到一些钱。"他们必须回来取得，"他说。）当在日本的科学家们无法让这个粉末运作，而发明他的这个博士後研究员又无法取得签证过去帮他们时，这个科技对福岛反应炉的清理暂停停滞。"你必须教他们该怎麽做，"杜尔说。"你希望pH值是正确的。"
杜尔对石墨烯的乐观还没有消失，而且他的团队也一直运作着更进一步的创新：超快的手机充电器，超乾净的汽车燃料电池，更便宜的光电电池。"海姆和诺福斯洛夫所作的事向展示石墨烯的惊奇性，就是它有不尋常的电子属性，"杜尔说。"想像一个人如果是上帝。在这里，他给了我们铅笔，而这几年来科学家正试着搞清楚一些伟大的事，而当你在用铅笔的时候，你只要剥开一片片石墨烯。而这一次，它已经在我们眼前！" ?
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在一个这样的傍晚，2002年秋天，海姆正思考着碳。他的专业在极微小的薄物质，而且他想知道一层很薄的碳在特定的实验条件下会有什麽样的表现。石墨，由原子厚度的碳层堆叠組成，是一种很明显可以用来实验的物质，但是用来分离超薄样本的标准方法就是让材料过热，摧毁它。所以海姆安排了他的一个新的博士研究生，江达（Da Jiang），任务是试着获得一个越薄越好的样本－或许只有几百个原子层厚度－藉由抛光一个只有一英寸的石墨晶体。几周後，江递出了一个在培养皿中的小碳颗粒。在显微镜下检视以後，海姆回忆，他要他再试一次；江承認這是僅存的晶體了。当海姆逗弄着劝告他时（"你把一座山磨光却只得到一粒沙？"），一个他的资深研究员垃圾桶中瞥见一个用过的透明胶带球，它有黏性的那一面覆盖着一个灰色的，轻微闪光的石墨残渣薄膜。
这应该是在全所有实验室中的光景，研究员例行公事地用胶带测试實驗樣品的黏性。构成石墨的碳层很微弱地连结着（因此，在1564年，被采用做成铅笔因为它脱落的部份在纸上拖曳的时候有着可以被看见的痕迹），所以胶带很容易就可以移除它的碎片。海姆放了一片胶带在显微镜下然後发现石墨层比他所见过的都还要薄。藉由折叠胶带，把残渣聚集一起然後在拉开，他就可以把碎片剥得更薄。
海姆已经分离出曾被发现的二维材料：一个原子厚度的碳层，在原子显微镜下，显现出扁平的六角格子状以蜂巢状结构连结着。理论物理学家已经推论出这样的物质，称之为"石墨烯，"但是假设这样的一个单分子层不能在室溫下被獲得－它应该被拆开成为显微静下可见的球体。然而，海姆看到，石墨还是维持在一个单一平面，发展中的波纹使得材料稳定。
海姆将一个名为康士坦丁．诺福斯洛夫的博士生的帮助列名，然後他们开始每天工作十四小时研究石墨烯。在接下来两年中，他们设计了一系列的实验揭开了这项材料的惊人属性。因为它独特的结构，电子可以经由其它层，用超乎寻常的速度与自由毫无阻碍地流过晶格。它能携带数千倍於铜的电子。海姆稍後稱這是"次找到了的時刻，"他们展示石墨烯有个显著的"场域效应，"这种反应只有一些材料放在一个电子场附近时才会显现出来，而这让科学家们可以控制传导性。场域效应是硅元素的显著特征之一，被使用在计算机芯片中，也有人建议石墨烯可以作为替代品－某种计算机制造者已经寻求多年的东西。
海姆和诺福斯洛夫写了三页的论文描述他们的发现。两次被《自然（Nature)》杂志拒绝，只因为有个读者陈述说分离一个稳定的，二维材料是"不可能的，"而另一个说这不是个充分的科学进展。"但是在2004年10月，这边论文，"在一个原子薄度的碳膜上的电子场域效应"被发表在《科学（science)》期刊，并且让科学家们吃惊。"那就有如科幻小说变成现实，"李润雨（Youngjoon Gil），三星技术院的执行副总裁，告诉我。
全的实验室开使用海姆的透明胶带技术做研究，而研究者们辨认了石墨烯的另一些属性。虽然它是在已知的宇宙中薄的材料，却比相等重量的钢坚硬150倍－确实，是被测量到坚硬的材料。它就如橡胶一样柔软而且可以伸展到它自己长度的120％。菲力普．金（Philip Kim)的研究，然后在加州大学，确定石墨烯比先前所表现出来的还具有更强的电子传导性。金把石墨烯悬浮在真空中，在那里没有其它物质可以让它的次原子粒子运动慢下来，而且显示出它具有"迁移率"－一个电子电荷流过半导体的速度－比矽原子快250倍。
在2010年，海姆和诺福斯洛夫发表论文之後的六年，他们得到了诺贝尔物理学奖。在那个时候，媒体称呼石墨烯是"神奇的材料，"一种物质，就像卫报（GUARDIAN）说的，"能改变。"物理学，电机，医学，化学，及其它领域的学术研究者聚焦在石墨烯，就好像科学家们组成了顶级电子公司。英国智慧财产局近发表了一个报告详列全激增的石墨烯相关的数，从2011年的3,018件到2013年初的8416件。这些建议了一个广大的应用阵列：超长寿命的电池，可弯曲的电脑萤幕，水的脱盐，改善太阳能电池，超快速的微电脑。在海姆与诺福斯洛夫的学术之家，曼彻司特大学，英国政府投资了六千万美元以协助设立石墨烯机构，试图让英国成为的大持有国：韩国，，和美国，所有以上的都进入了找到个使用石墨烯改变的竞赛中。
科技的进步从发现的那一刻到能转变为产品是缓慢又曲折的；科学家们间的舆论认为即使当事情很顺利，这也要花上数十年。保罗．劳特伯（Paul Lauterbur）和彼得．曼司菲爾德（Peter Mansfield）因发明MRI而在1973年分享了诺贝尔奖－几乎是在科学家们次了解能让机器运作的物理反应後的30年。而比瑞典化学家琼司．雅各．伯泽列厄司（J?ns Jakob Berzelius ）纯化在1824年矽原子，及半导体工业诞生之间，更超过了一世纪的时间。
更多的新發現在市場上面臨著强大的挑战。它们必须引人注目地便宜或比已经在销售的产品更好，并且它们必须是在经济范围内有助於生产制造。当一项材料来了，像石墨烯，作为一个偶然的发现，却没有目标性的应用，而还有一个障碍物是：想像力的极限。既然我们有了这个东西，我们该拿它怎麽办？
铝，於1820年代在很微量下被发现於实验室中，并被奉为神奇的物质，它有着从未在金属中见过的性质：重量轻，有光泽，抗锈，而且有高度的传导性。它可以从黏土里被分离出来（起初，它被称为"从黏土里来的银"），而认为它是有价值物质的想法是从一个很平常的链金术性质而来。在1850年，一个法国化学家设计了一个可以一次制造几公克的方法，之後铝很快就被应用在贵珠宝上。三十年之後，一个新的制程，使用电力，容许工业生产，价格也随之一泻千里。
"人们说，'哇！我们从黏土里得到这种银而且现在真的很便宜所以我们可以用在任何东西上，' " 罗伯特．弗里德尔，一个在马里大学的科技历史学家，告诉我。但是热情很快就冷却："他们想不出来能用它做什麽。"在1900年，席爾司與羅巴克百货（Sears and Roebuck)的目录上广告铝壶与铝平底锅，弗里德尔提到，'但是你无法找到任何我们能称之为'科技的'使用。"直到次大战之後，铝才找到它转变性的使用。"这个杀手级的应用就是飞机，在他们全都同心协力而且热衷於这项材料的时候，它甚至都还不存在。"
一些被高度吹捧着的发现完全失败。在1986年，I.B.M.研究员乔治．贝德诺兹（Georg Bednorz）和 K. 亚力克司．穆勒（K. Alex Müller）发现陶瓷比超导体更能被彻底运用。次年，他们赢得诺贝尔奖，然後一个巨大的乐观主义浪潮随之而来。"总统委员会被仓促地组成只是为了让美国处於的地位。"赛勒司．莫迪（Cyrus Mody），休士顿莱斯大学的科学历史教授说。"人们在接下来的几年内会谈论着飘浮的火车及无限传输线路。"但是在三十年的奋斗後，几乎没有人可以让易碎的陶瓷变得可以存活过每天的使用。
弗里德尔提供了一个大概的原理："越是创新的－越能打破模式－创新就是，我们不太可能想出它真正能够被用在何处。"迄今，包含石墨烯的消费产品只有网球拍和墨水。但是很多科学家坚持它不寻常的属性後会引导出一个突破性进展。根据海姆所说，汇集的金钱与研究者已经加速到实际运用的一般的时程。"我们从亚微米碎片开始，甚至只能用光学显微镜才看得到，"他说。"我从未想像过在2009，2010年左右，人们已经开始以平方米制造这个材料。这真是个机端快速的进展。"他补充，"一旦有人看到金矿，於是从很多不同研究范围的重装备就会被应用上。那时候人们就会想，我们真是很有发明才能的动物。"
三星，韩国背景的电子巨人，持有石墨烯多数的，但是在近几年，研究机构，而不是企业，已经不再那麽积极。一间与三星合作的韩国的大学，在学术机体系间屈一指。两间的大学分居二三位。第四名是来斯大学，在过去两年间申请了33个，几乎都是从一个名叫詹姆士．杜尔（James Tour）的教授所运作的实验室而来。
杜尔，55岁，是一个人造有机物化学家，他开朗的人格特质与企业家的活力让他看起来更像监看研究部门利润的总经理。一个矮小，有着黑眼睛的男人却拥有健身房肌肉的身体，在我近拜访他在莱斯的戴尔．巴彻（Dell Butcher）大楼办公室时，他喋喋不休地招呼我。"我的意思是，这个材料真是令人惊奇！"他谈着石墨烯。"你无法相信这个东西能做什麽 ！"杜尔，就像大多数资深的科学家，必须让他自己专住在研究与商业两者。他有两次出现在国会前警告联邦预算在科学上的删减，并说他的研究室能够增长是因为有竞争性的企业夥伴所担保的经费。他收取每一笔合约生意每年250,000美元，他的实验室净收入比一半多一点，这样他就可以雇用两个学生研究员和付出一年的材料钱。杜尔更多的工作包含了鞭策这些研究员的创造力（他们之中的25个献身於石墨烯）；他们就是设计出这些让杜尔销售的创新的人。石墨烯已经是个恩惠，他说，"有很多人进到这个范围来。并不只是学术机构而是企业，大张旗鼓地，从大型电子公司，像三星，到石油公司。"
杜尔有特别用不完的精力。在白原市一个世俗的犹太家庭被养成，在锡拉库扎大学当新鲜人时他再度成为基督教徒。已婚，有四个已长成的孩子，他每天早上3：40起床并祷告及研读一个半小时的圣经－接下来，一周数次，在健身房里运动－然後在早6：15到达办公室。在2001年，他因为签署《从达尔文学说而来的科学异议（A Scientific Dissent form Darwinisd》而成为头条，一个提昇智能世纪的请愿，但是他坚持这只是他反映他个人对有关於一个发生在分子层次的随机突变的疑虑。虽然他在电子邮件结尾说"上帝保佑，"他说，除开对神圣指引的祈祷习惯，他觉得宗教在他的科学工作上没有扮演任何的角色。
杜尔认可他的学生漫无目的的研究方法。"我们努力於适合我们奇想的任何事，只要能有奋力一击，"他说。作为化学家，他指出，他们尤其适合快速的实验，很多可以在几个小时内就产出结果－不像物理学家，他们的实验可以花好几个月的时间。他的实验室发表了131篇石墨烯的期刊文章－仅次於在奥斯丁的德州大学－而他的研究者们很快速地向美国及商标局提出暂时性的应用程序，这样在他们必须提出完整的声明前，能让他们的想法拥有一年的合法拥有权。"我们在提出前不会等太久的时间，"杜尔说；他催促学生们在48小时内要将报告写好。"我只是被许可我们的科技之一的公司通知说我们比人快了将近五天。"
很多他实验室近的发明被产业界设计来做立即的开发，供应基金以支持更有野心的工作。杜尔已经卖给添加石墨烯的油漆，它的传导性可能有助於移除直昇机螺旋桨上的冰，可以增加钻油效率的液体，及以石墨烯为基础的材料制成充气滑水道及用在飞机上的救生筏。他指出石墨烯是在地球上唯一对气体完全不渗透的物质，但是它几乎没有重量；越轻的救生筏及滑行道能够为飞机工业省下一年几百万美元的燃油价值。
在杜尔的实验室中，有一个很大，天花板很高的房间，紧密排着几列工作桌，还有许多穿着白色实验服及安全护目镜的年轻人正在工作着。杜尔和我在一张工作台旁停下来，那是卢瓦克．山谬尔（ Lo?c Samuels），一个安提瓜的毕业生，正在做一批用在脊髓损伤支架上的石墨烯胶。"与其只是用一个毫无功能的支架材料，倒不如用某种真正具有电传导性的东西。"山谬尔说，就好像他在珠宝商的浴室中旋绕着一支试管。"那有助於神经细胞，透过电力沟通，并互相连结在一起。"杜尔给我看後腿麻痹的实验室老鼠的视频。在一段视频中，两只老鼠在底部有英寸刻度的笼子里，拖着它们的後腿。在另一个视频中，上述的老鼠已经被治疗好，能正常地走路。杜尔警告说还要几年的时间F.D.A.才会允许人体试验。"不过这是个不可思议的开始，"他说。
在2010年，杜尔的一个研究者，亚历山大．史雷沙瑞夫（Alexander Slesarev），一个在莫斯科州立大学做研究的俄罗斯人，提出了石墨烯氧化物，一种在氧与氢分子结合在石墨烯上所创造出来的形式，或许能吸引有辐射性的材料。史雷沙瑞夫送了一个样本给在莫斯科州的前同事，在那里学生们把粉末放进含有核子物质材料的溶液中。他们发现石墨烯氧化物与这些辐射元素相结合，形成一个很容易被铲除的沈淀物。在那之後不久，在日本发生的地震与海啸创造出了一个毁灭性的核子物质溢出，杜尔随即飞到日本并将这项科技宣传给日本人。"我们此时正在福岛布署。"他告诉我。
在其中一张工作桌上的工作，是一个有着圆形，坦率脸孔的年轻人：25岁，名叫叶如全（Ruquan Ye）的博士生，他在去年设计了一个新方法制造量子点（quantam dots），高亮度的奈米粒子用在医学影像及电浆电视萤幕中。通常是从有毒化学物，如硒化镉及砷化铟中制造出微量，量子点的一个一千公克的瓶子就要花费一百万美元。叶的科技使用石墨烯从煤中分离，一吨只要100美元。
"方法很简单，"葉告訴我。他给我看一个装满了细微黑粉末的小瓶子：他磨碎了的无烟煤。"我把这个放进酸溶液中一天，然後用一个热金属片加热溶液。"藉由调整过程，他可以制造出发射好几种光频率的物质，制造出好几种颜色的光点作为肿瘤的个别标的。这种以煤炭为基础的光点很适合於人体－煤就是碳，而我们也是－这暗示叶的光点可以取代用在全医院中的高毒性光点。在实验室隔壁一个黑暗的房间中，他发射一束黑光在好几个透明液体的小瓶上。它们在发热的钢锭中散发着萤光：红，蓝，黄，紫。
杜尔通常拒绝将在他实验室中的发现归功於自己。"那都是学生们，"他说。"他们处於这个年龄，二十几岁，正是突触伸展的时候。我的工作就是启发他们并提供信用卡，然後引导他们爬出兔子洞。"但是他承认量子光点的想法是出自於他："有一天，我说，'我们必须找出煤里面是什麽。人类已经使用它五千年。让我们看看里面真正是什麽。我打赌它是石墨烯的小领域。'－然後，够确定的，它是。它就被放在那里。一个25％的产量。然後，记住，它可是一千公克一百万美元！"
杜尔转向他的实验室经理，保罗．车鲁库里（Paul Cherukuri），然後说，"我们总有一天会发财的，不是吗？"在车鲁库里笑的时候，他补充，"我每天都进来这里数钱。"
或许海姆与诺福斯洛夫在2004年的论文中所描述过逗弄人的属性是"电子迁移率"，随着它电子资讯可以流过石墨烯的表面。"我们电脑中的缓慢步调是将资讯从A点移动到B点，"杜尔告诉我。"现在你接受这缓慢的步调，矽原子电子中的大障碍，然後你介绍一种新材料然後－砰！突然，你增加了速度，并不是用一个十倍的因素而是用百倍的因素，甚至有可能更多。"
这个消息刺激了正奋战於跟上摩尔定律（Moore's Law），1965年由戈登．摩尔（Gorden Moore），英特尔的共同创立者所这设计，的半导体产业。每两年，他预测，电脑晶片的命运－及因此而来的效能－将会加倍。经过50年，工程师们已经经由微型化，包进更多数量的电晶体到晶片的方法－多达40亿个在一片指甲大小的矽胶片上－以跟上摩尔定律的脚步。工程师们更进一步用掺杂的矽：从其它元素引进原子已将晶格压紧的方法让电脑加速。但是这有一个限制。将晶片缩得越小，将电晶体移得更靠近，矽就会停止工作。快在2017年，矽晶可能不再能够跟上摩尔定律。石墨烯，如果可行，提供了一个解决方案。
"再多个五分钟，我就全是你的了，安希夫人。"然而，有一个问题。半导体，就像矽，是以它们在电子领域前的开和关的能力所定义的；在逻辑晶片，开关的过程生成0与1的电脑语言。石墨烯，一个半金属，不能够被关掉。起初，工程师们相信他们可以为石墨烯上涂料以打开一个"能隙（band gap）"，电气属性可以让半导体作为一个开关。但是在海姆与诺福斯洛夫的论文後十年，没有人成功地打开一个够宽的间隙。"你必须把它改变很多而让它不再是石墨烯，"杜尔说。确实，那些已经设法创造这样的一个间隙的人已经学到这会扼杀电子迁移率，致使石墨烯不会比我们现有使用的材料更好。这个结果已经确定让半导体公司意志消沈。
我近拜访汤玛士 J. 华生（Thomas J. Watson）研究中心，I.B.M.的主要研发实验室，主要的矽半导体晶片制造者。从纽约市往北半小时，这个中心座落在埃罗．萨里宁（Eero Saarinen）在1961年设计的一栋建筑物里。大量的弧形玻璃伴随着一个往上弯曲的前遮阳篷，它是对预测未来困境的一種紀念碑。萨里宁想像改变性的想法可能会从躺椅及咖啡桌放在高耸窗户旁的会议区工作的科学家团体中浮现出来。相反地科学家们在他们小小的，没有窗户的兽穴，看起来像是被设计作为後来添加的办公室中，花掉一天中太多的时间在电脑萤幕前弯腰驼背。
在一个狭小的办公室中，我遇到了苏普拉迪克．古哈（Supratik Guha），I.B.M.物理科学的总监并设立企业的研究策略。一个体贴的男人，很精准地了解杜尔的热情洋溢，古哈很遗憾围绕着石墨烯作为矽替代品的"过度宣扬"，并且很悲惨地谈论要引出能隙要花多大的力气，顶多，"一个主要的创新远走了。"他很快补充I.B.M.并没有结束掉石墨烯。在2014年初，这个企业宣称他们的研究人员已经建立以石墨烯为基础用在无线装置上的整合性电路，而这可以引导出更便宜，更有效率的手机。但是在追求以石墨烯替代矽的路上，古哈承认，他们几乎不抱希望。
而现在，I.B.M.的焦点还是在单壁碳奈米管上，这是在莱斯大学，由杜尔的指导者及教授，里克．斯摩利（Rick Smalley）所发展出。在80年代，斯摩利和他的同事们发现碳原子分子把它们自己安排成各式各样的形状；有些是球体（他称之为"巴基球"，因为它们与巴克敏司特．富勒（Buckminster Fuller）的测地拱顶相似）而其它的是管状。当研究者们发现管状可以作为半导体，这个材料马上被建议为取代矽的潜在材料。连同他的合作者，斯摩利在1996年赢得诺贝尔化学奖，并建议莱斯大学设立好几百万美元的奈米科技中心在後來由杜爾接管。然而碳奈米管无法轻易被推广。它们必须有能隙，但是建立一个使用它们的晶片需要操作数十亿个微小的物体进到精准的位置上－一个已经让科学家们困惑了约20年的困境。没有真正承认他已经对碳奈米管失去兴趣，杜尔告诉我说它们"从未真正良好的被商业化。"
在I.B.M.，已经投入超过十年的时间在这项研究上及数百萬美元在材料上，所以很不情愿承认失败。古哈把我介绍给乔治．杜勒夫斯基（George Tulevski），他协助成立I.B.M.的碳－奈米管研究计画。当我提到石墨烯，他表現出防卫性，这可能是在一个已经致力近10年在一项顽强科技上却被告知有一个富有魅力的新科技的科学家身上所预期得到的。"设备必须要能开关，"杜勒夫斯基说。"如果它不能被关掉，就会消耗太多的电力。没有办法把石墨烯关掉。所以那些电子跑得超快，这非常棒－但是你无法把设备关掉。"
赛勒司．莫迪（Cyrus Mody），历史学家，也同样地谨慎。"这个想法是有一种微电子形式，非常理论性，比现有的矽还要快，却不是新东西，"他告诉我。他指出约瑟夫逊结集电路（Josephson _junction ）的先例。在1962年，英国物理学家布莱恩．大卫．约瑟夫逊（Bryan David Josephson）预测电子将会以史无前例的速度流经由两个分离的超导体藉由一个"弱连结"的物质组合成的电流。这个洞察力引领出了诺贝尔物理学奖－及如指数般飞快的电子。
"很多人認為我们很快就会转向到约瑟夫逊结集微电路学上，"莫迪说。"但是当你认真制造一个有很多很多很多逻辑运算的电路并让这些很多很多这样的电路有很大的产量时，制造上的问题确实让它无法得以继续。而我认为当它们谈论石墨烯时，这是一个人们还没有真正考虑得很清楚的障碍。"
但是其它科学家争论这个障碍并非石墨烯的物理属性。"半导体产业知道如何引出能隙，"阿曼达．巴纳德（Amanda Barnard），一个理论物理学家，领导澳洲的国民健康科学与产业研究组织，告诉我。困难在於商业。"我们已经在投资大约几万亿美元在矽上面，而我们并不打算离开它。先，石墨烯必须与矽一同运作－它需要在我们现有的工厂和生产线及研究能力上运作－然後我们就会有些动力继续。"
杜尔有点同情半导体产业对石墨烯的失望之情。"I.B.M.已经是垂头丧气的因为他们只有单一思维，"他说。"他们必须生产电脑－而且他们有摩尔定律。不过那是他们自己的错误！还有其它的产业每18个月用双倍的绩效自我挑战吗？在化学产业，如果我们每年可以有1％高的产出，我想我们已经做得很好了。"
或许对这项材料广泛的思考者是汤玛士．帕拉西奥斯（Thomas Palacios），一个在麻省理工学院（M.I.T.）经营石墨烯设备与2D系统中心的西班牙科学家。与其使用石墨烯改善现有的应用，就像杜尔的实验室通常这麽做，帕拉西奥斯正试着为未来的建造设备。
在36岁时，帕拉西奥斯有着大学生的瘦长体型和会让狂暴的野心变得模糊不清的温柔的说话方式。作为一个电机工程師，他渴求"无所不在的电子設备，"增加到"百分百"的电子设备数目到我们的生活中。从他实验室的这个观点，这个可以有很大的提昇，如果每样物体，从窗户到咖啡杯，纸币，和鞋子都内建能量获取器，感应器，和发光二极管，這就能让它们很便宜地收集和传输资讯。"基本上，在我们身边的每样东西都能够依照需求将它自己转变成一种展示，"当我近拜访他的时候，他告诉我。帕拉西奥斯说石墨烯能够让这些成为可能；先，当然，它必须被整合到那些咖啡杯和鞋子中。
就像莫迪指出的，彻底的创新必须等待正确的环境。"这与破坏性的科技无关而是与一组科技间的连结性到达一个点而让它们可能去改变很多实务的时刻更有关系，"他说。"蒸气引擎在它们成为真正具有破壞性之前已经很长的时间到处都有。真正发生的是在经济的其它部份，其它与蒸气引擎连结的科技所造成的改变而让它变得更有效率也更令人满意。"
对帕拉西奥斯来说，關鍵的科技补充是3－D打印的进步。在他的实验室中，4个学生正在发展一個打印機早期原型，这能让他们创造出以石墨烯为基础并带有电"智能"嵌入的物体。跟随着马可．德．法西欧（Marco de Fazio），一个来自於义法半导体（STMicrolectronics），一间制造墨水喷头公司的科学家，他们聚集在一个小型的，半成品的，看起来像是万能工匠的奇妙装置放在像镜子的底座的设备上。"我们几个星期前才刚拿到这台打印机，"玛迪．艾比，一个绑着马尾的硕士生说。"它来的时候有配套组件。我们需要加入所有的电子设备。"她指着放在桌上的喷嘴。"这个现在只射出塑料，但是马可给我们的这些喷头可以印出石墨烯和其它类型的墨水。"
这个团体的成员们正在思考着如何整合石墨烯到他们印出来的物体上。他们可能混合材料到塑料中或仅仅将它印到存在物体的表面。而且还有强大的障碍。这些研究者已经搞清楚如何把石墨烯变成液体－并不是件简单的工作，既然这个材料是严格防水的，这也意味着它会结成块并阻塞喷头。他们先需要将石墨烯转变成石墨烯氧化物，加入氧与氢的分子团，但是这个过程会使它的电子属性失效。因此一旦他们印出这个物体就必须用雷射加热它。"当你把它加热，"艾比说，"你蒸发掉那些分子团然后让它回归到石墨烯。"
既然这个有可能但是不确定；她希望让这个装置工作三个月。"雷射需要更多从当局而来的认可，"她说，不怀好意的瞥了一下打印机的镜面底座－这一种可以完美地让激光束在整个房间中弹跳。德．法西欧建议他们用晶圆将它覆盖。
"那可能行得通。"艾比说。
"当然，这也是确认是不是因为我希望你生病。"
帕拉西欧斯体认到千禧年的改变只有在适度的，策略性的增量后来临。他提到三星，根据业界的传闻，正准备着发表次在屏幕中采用石墨烯的装置。"石墨烯只是一个小组件，用来传递电流到显示器上，"他说。"但是这是很让人興奮的次应用－它不需要成为我们正期待着的突破。那是一个石墨烯成为每个人的焦点的好方法，而且那个方法，为更多的投资做了证明。"在此同时，一个它的学生，于莉莉（Lili Yu），已经开始制作可弯曲屏幕的原型。
帕拉西奥斯，在他的办公室，告诉我说他大的野心目标是"石墨烯折纸，"用这种材料做成的纸可以折成模拟生物细胞内的胞器，及微细结构。"它不同于大自然对DNA所做的事，材料只是个一维的结构被折叠很多，很多，很多次而做成染色体。"如果这个方法行得通，它就可以被用来包装大量的计算机电力到一个微小的空间里。这可能会应用在医学上，他说，而且有种他称之为智能尘埃的东西－"东西就像灰尘粒子那么细小，但是却有功能性可以告诉我们大气中的污染，或是附近有感冒病毒。这些东西能够被链接到你的电话或到处都有的嵌入式屏幕，用来告诉你发生在你周遭的事。"
目前，挑战还是很固着的：科学家们还在试着设计一个成本－效率的方式来规模化制造石墨烯。像三星这样的企业使用德州大学所倡导的方法，在低真空的状态下加热铜箔到华氏1800度，然后注入甲烷气体以让石墨烯在铜的两侧"长成"一个原子厚度的薄片－非常像是结霜的晶体"生长"在窗玻璃上。然后用酸将铜蚀刻掉。如此产生的石墨烯在肉眼下不可见而且太易碎而不能接触任何东西除了为微电子所设计的仪器之外。这个过程很慢，吃力，而且太贵以至于除了大公司能够以外没有人可以负担。
在杜尔的实验室，一个26岁的博士后研究生名叫彭继伟（Zhiwei Peng）正在等待收到他所送出的论文的后评论员的信，在其中他详述了一个不需要过度加热，不需要真空，而且不需要气体就可以制造石墨烯的方法。（这篇论文后被核准发表。）彭几个月前在这个方法上跌了一跤。他在用雷射加热石墨烯氧化物的时候，他错过了样本，而意外地加热放置它的材料上，一个聚醯亚安的薄片。雷射碰触到塑胶的地方，留下了黑色的残渣。他发现这些残渣是好几层的石墨烯，松散地与氧分子连结在一起－就好像黏在海姆胶带上的残渣一样－能够被轻易的剥落至单层原子片。他展示给我看它如何运作，雷射来回追踪穿过一个聚醯亚胺薄片并且每一次经过就留下像针一样薄的材料殘渣。单一层石墨烯吸收2.5％的可见光；当层层堆叠，它们就开始变成黑色。在几分钟後，彭已经制造出一个卷曲的，无光泽的黑色晶格－或许只有一英寸宽，却值得数万美元。车鲁库里，杜尔的实验室经理，指着它说，"这是一场竞赛。"
科技研究公司高德纳（Gartner）用一种叫做技术成熟度曲线（Hyper Cycle）的分析工具协助投资着决定哪一种发现会赚钱。一个像草书小写 "r " 的曲线图，图表是一个发现从科技触发开始，很快爬升到膨胀期望的高峰，再下降到幻灭的低谷，然後，当实用性被发现，就会逐渐上升到生产高原期。这个含意并不是（或并不只是）大多数的发现没有如所期望的行动；典型上它是个新东西在宣传期公开後的某个时间变成有用了。
几乎每个我谈过话的科学家都建议石墨烯要将它自己好好装扮以大肆宣传。"只要是我们还处於使用电器设备的时代，它就是个在电力学上有用的材料，"阿曼达．巴纳德告诉我。"如果它在我们对电器设备不那麽感兴趣的时代来的话，这个宣传可能就不会那麽不成比例了。不过到那个时候，也没有同样的兴趣投资了。"确实，亨利．彼得罗司基（Henry Petroski），杜克大学的一个教授与《工程师是人（To Engineer is Human）》一书的作者说要吸引发展资金，宣传是必要的。但是他提出了一个附带条件："如果还在发现阶段就大四宣传而产品却辜负了这项宣传，那就是它终变得令人失望并被遗弃的一个方式。"
古哈，在I.B.M.，相信奈米科技的领域已经被过度销售了。"没有人会坚持从坏消息中得到利益，"他告诉我。"科学家们想要带来好消息，新闻记者想要报导好消息－对这个系统来说没有回馈控制。为了要发展一项科技，有很多的训练需要被带进来，有很多事要做，而这些可能一点都不迷人。"
杜尔同意，并且承认有一些共谋。"人们在我们身上放了一条不切实际的时程，"他告诉我。"我们科学家会有一种倾向去满足它－而我对那觉得有罪恶感。在几年前，我们设立一个分子电子设备。泰晤士报（The Time）的记者打电话问我，"这些什麽时候可以准备好？"我说，'两年'－而这事无稽之谈。我只是对它感到兴奋。"
俯瞰明显的困难到商业发展的推动力对科学家来说是一种流行病。海姆的论文，归根究底，提到了能隙的问题。"人们知道石墨稀是一种无隙半导体，"阿米尔哈山．诺尔巴克什（Amirhasan Nourbakhsh），一个专业在石墨烯的麻省理工科学家告诉我。"但是石墨烯表现出很高的电子迁移率－而迁移率在半导体产业是非常重要的。人们只是不屑一顾。"
根据历史学家，弗里德尔所说，科学家们依赖顽固坚定信仰认为一个明显的障碍物可以被克服。"有一种对怀疑的延缓程度就是好的研究需要被经营，"他说。"艺术的一部分－它还是艺术－来自於已知只是考虑到包容这个怀疑的延缓是合理的，至少是暂时的，并且在它还只是完全的幻想时。"罗德．凯文（Lord Kevin)，以在大西洋海床安装电信电缆线而闻名，很清楚地有能力俯瞰这个障碍。但并不总是如此。"在他於1907年过世之前，罗德．凯文很小心，很小心地计算一个比空气重的飞行器是不能可的，"弗里德尔说。"所以我们总是必须要谦卑一点。几个自行车的结构就可能随着一起来并证明我们是错的。"
近，从杜尔实验室中来的一些令人兴奋的专案也遇到了障碍。一种在石油钻探里使用的液体添加物，由资源公司斯伦贝谢（Schlumberger）的附属公司所发展，承诺让钻探工作更有效率并在地面上留下少的废物；相反的，装这种材料桶子在它被使用前就分解了。雇用杜尔的团队的公司要他们制造充气式滑道及救生筏以让飞机建造一个便宜的实验室。（杜尔对这个很冷静，部份是因为他知道他还是能从合约中赚到一些钱。"他们必须回来取得，"他说。）当在日本的科学家们无法让这个粉末运作，而发明他的这个博士後研究员又无法取得签证过去帮他们时，这个科技对福岛反应炉的清理暂停停滞。"你必须教他们该怎麽做，"杜尔说。"你希望pH值是正确的。"
杜尔对石墨烯的乐观还没有消失，而且他的团队也一直运作着更进一步的创新：超快的手机充电器，超乾净的汽车燃料电池，更便宜的光电电池。"海姆和诺福斯洛夫所作的事向展示石墨烯的惊奇性，就是它有不尋常的电子属性，"杜尔说。"想像一个人如果是上帝。在这里，他给了我们铅笔，而这几年来科学家正试着搞清楚一些伟大的事，而当你在用铅笔的时候，你只要剥开一片片石墨烯。而这一次，它已经在我们眼前！" ?
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