石墨烯：快速，堅硬，便宜，而且不可能被使用
一個原子厚，石墨烯是已知細的物質而且可能是堅硬的。說明圖解由查德．哈根（CHAD HAGEN)繪制直到安德烈。海姆（Andre Geim），一個在曼徹司特大學的物理學教授，發現一種叫做石墨烯的不尋常新物質前，他為人所熟知的實驗就是用電磁鐵讓青蛙浮在空中。海姆，1958年生為蘇維埃聯邦，是一個杰出的大學生－在高中時代，他贏得了記憶一千頁化學辭典的競賽－但是他也有著非正統的幽默感的傾向。他在歐洲物理期刊（European Journal of Physics）發表青蛙實驗，標題是《關於飛行的青蛙與飄浮器》，而在2000年，這個實驗贏得了搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel Prize），一個頒給愚蠢實驗的年度大獎。同事們慫恿海姆去領獎，但是他拒絕了。他把青蛙飄浮視為他自己風格的完整部份，就是接受橫向思考可以引導出重要的發現。在那之後很快，他開始為她的學生們主持『周五會議』，自由形式，一周結尾的實驗，有的時候用一些啤酒作燃料。"周五會議所指的是不會有酬勞而且在你的專業生涯期間你也不會做的某件事。"海姆近這樣告訴我。"好奇心驅使的研究。某種隨機，簡單，可能有點奇怪的－甚至是荒謬的事。"他補充，"沒有了它，就沒有了發現。"
在一個這樣的傍晚，2002年秋天，海姆正思考著碳。他的專業在極微小的薄物質，而且他想知道一層很薄的碳在特定的實驗條件下會有什麼樣的表現。石墨，由原子厚度的碳層堆疊組成，是一種很明顯可以用來實驗的物質，但是用來分離超薄樣本的標準方法就是讓材料過熱，摧毀它。所以海姆安排了他的一個新的博士研究生，江達（Da Jiang），任務是試著獲得一個越薄越好的樣本－或許只有幾百個原子層厚度－藉由拋光一個只有一英寸的石墨晶體。幾周後，江遞出了一個在培養皿中的小碳顆粒。在顯微鏡下檢視以後，海姆回憶，他要他再試一次；江承認這是僅存的晶體了。當海姆逗弄著勸告他時（"你把一座山磨光卻只得到一粒沙？"），一個他的資深研究員垃圾桶中瞥見一個用過的透明膠帶球，它有黏性的那一面覆蓋著一個灰色的，輕微閃光的石墨殘渣薄膜。
這應該是在全所有實驗室中的光景，研究員例行公事地用膠帶測試實驗樣品的黏性。構成石墨的碳層很微弱地連結著（因此，在1564年，被采用做成鉛筆因為它脫落的部份在紙上拖曳的時候有著可以被看見的痕跡），所以膠帶很容易就可以移除它的碎片。海姆放了一片膠帶在顯微鏡下然後發現石墨層比他所見過的都還要薄。藉由折疊膠帶，把殘渣聚集一起然後在拉開，他就可以把碎片剝得更薄。
海姆已經分離出曾被發現的二維材料：一個原子厚度的碳層，在原子顯微鏡下，顯現出扁平的六角格子狀以蜂巢狀結構連結著。理論物理學家已經推論出這樣的物質，稱之為"石墨烯，"但是假設這樣的一個單分子層不能在室溫下被獲得－它應該被拆開成為顯微靜下可見的球體。然而，海姆看到，石墨還是維持在一個單一平面，發展中的波紋使得材料穩定。
海姆將一個名為康士坦?。Z福斯洛夫的博士生的幫助列名，然後他們開始每天工作十四小時研究石墨烯。在接下來兩年中，他們設計了一系列的實驗揭開了這項材料的驚人屬性。因為它獨特的結構，電子可以經由其它層，用超乎尋常的速度與自由毫無阻礙地流過晶格。它能攜帶數千倍於銅的電子。海姆稍後稱這是"次找到了的時刻，"他們展示石墨烯有個顯著的"場域效應，"這種反應只有一些材料放在一個電子場附近時才會顯現出來，而這讓科學家們可以控制傳導性。場域效應是硅元素的顯著特征之一，被使用在計算機芯片中，也有人建議石墨烯可以作為替代品－某種計算機制造者已經尋求多年的東西。
海姆和諾福斯洛夫寫了三頁的論文描述他們的發現。兩次被《自然（Nature)》雜志拒絕，只因為有個讀者陳述說分離一個穩定的，二維材料是"不可能的，"而另一個說這不是個充分的科學進展。"但是在2004年10月，這邊論文，"在一個原子薄度的碳膜上的電子場域效應"被發表在《科學（science)》期刊，并且讓科學家們吃驚。"那就有如科幻小說變成現實，"李潤雨（Youngjoon Gil），三星技術院的執行副總裁，告訴我。
全的實驗室開使用海姆的透明膠帶技術做研究，而研究者們辨認了石墨烯的另一些屬性。雖然它是在已知的宇宙中薄的材料，卻比相等重量的鋼堅硬150倍－確實，是被測量到堅硬的材料。它就如橡膠一樣柔軟而且可以伸展到它自己長度的120％。菲力普．金（Philip Kim)的研究，然后在加州大學，確定石墨烯比先前所表現出來的還具有更強的電子傳導性。金把石墨烯懸浮在真空中，在那里沒有其它物質可以讓它的次原子粒子運動慢下來，而且顯示出它具有"遷移率"－一個電子電荷流過半導體的速度－比矽原子快250倍。
在2010年，海姆和諾福斯洛夫發表論文之後的六年，他們得到了諾貝爾物理學獎。在那個時候，媒體稱呼石墨烯是"神奇的材料，"一種物質，就像衛報（GUARDIAN）說的，"能改變。"物理學，電機，醫學，化學，及其它領域的學術研究者聚焦在石墨烯，就好像科學家們組成了頂級電子公司。英國智慧財產局近發表了一個報告詳列全激增的石墨烯相關的數，從2011年的3,018件到2013年初的8416件。這些建議了一個廣大的應用陣列：超長壽命的電池，可彎曲的電腦螢幕，水的脫鹽，改善太陽能電池，超快速的微電腦。在海姆與諾福斯洛夫的學術之家，曼徹司特大學，英國政府投資了六千萬美元以協助設立石墨烯機構，試圖讓英國成為的大持有國：韓國，，和美國，所有以上的都進入了找到個使用石墨烯改變的競賽中。
科技的進步從發現的那一刻到能轉變為產品是緩慢又曲折的；科學家們間的輿論認為即使當事情很順利，這也要花上數十年。保羅．勞特伯（Paul Lauterbur）和彼得．曼司菲爾德（Peter Mansfield）因發明MRI而在1973年分享了諾貝爾獎－幾乎是在科學家們次了解能讓機器運作的物理反應後的30年。而比瑞典化學家瓊司．雅各．伯澤列厄司（J?ns Jakob Berzelius ）純化在1824年矽原子，及半導體工業誕生之間，更超過了一世紀的時間。
更多的新發現在市場上面臨著強大的挑戰。它們必須引人注目地便宜或比已經在銷售的產品更好，并且它們必須是在經濟范圍內有助於生產制造。當一項材料來了，像石墨烯，作為一個偶然的發現，卻沒有目標性的應用，而還有一個障礙物是：想像力的極限。既然我們有了這個東西，我們該拿它怎麼辦？
鋁，於1820年代在很微量下被發現於實驗室中，并被奉為神奇的物質，它有著從未在金屬中見過的性質：重量輕，有光澤，抗銹，而且有高度的傳導性。它可以從黏土里被分離出來（起初，它被稱為"從黏土里來的銀"），而認為它是有價值物質的想法是從一個很平常的鏈金術性質而來。在1850年，一個法國化學家設計了一個可以一次制造幾公克的方法，之後鋁很快就被應用在貴珠寶上。三十年之後，一個新的制程，使用電力，容許工業生產，價格也隨之一瀉千里。
"人們說，'哇！我們從黏土里得到這種銀而且現在真的很便宜所以我們可以用在任何東西上，' " 羅伯特．弗里德爾，一個在馬里大學的科技歷史學家，告訴我。但是熱情很快就冷卻："他們想不出來能用它做什麼。"在1900年，席爾司與羅巴克百貨（Sears and Roebuck)的目錄上廣告鋁壺與鋁平底鍋，弗里德爾提到，'但是你無法找到任何我們能稱之為'科技的'使用。"直到次大戰之後，鋁才找到它轉變性的使用。"這個殺手級的應用就是飛機，在他們全都同心協力而且熱衷於這項材料的時候，它甚至都還不存在。"
一些被高度吹捧著的發現完全失敗。在1986年，I.B.M.研究員喬治．貝德諾茲（Georg Bednorz）和 K. 亞力克司．穆勒（K. Alex Müller）發現陶瓷比超導體更能被徹底運用。次年，他們贏得諾貝爾獎，然後一個巨大的樂觀主義浪潮隨之而來。"總統委員會被倉促地組成只是為了讓美國處於的地位。"賽勒司．莫迪（Cyrus Mody），休士頓萊斯大學的科學歷史教授說。"人們在接下來的幾年內會談論著飄浮的火車及無限傳輸線路。"但是在三十年的奮斗後，幾乎沒有人可以讓易碎的陶瓷變得可以存活過每天的使用。
弗里德爾提供了一個大概的原理："越是創新的－越能打破模式－創新就是，我們不太可能想出它真正能夠被用在何處。"迄今，包含石墨烯的消費產品只有網球拍和墨水。但是很多科學家堅持它不尋常的屬性後會引導出一個突破性進展。根據海姆所說，匯集的金錢與研究者已經加速到實際運用的一般的時程。"我們從亞微米碎片開始，甚至只能用光學顯微鏡才看得到，"他說。"我從未想像過在2009，2010年左右，人們已經開始以平方米制造這個材料。這真是個機端快速的進展。"他補充，"一旦有人看到金礦，於是從很多不同研究范圍的重裝備就會被應用上。那時候人們就會想，我們真是很有發明才能的動物。"
三星，韓國背景的電子巨人，持有石墨烯多數的，但是在近幾年，研究機構，而不是企業，已經不再那麼積極。一間與三星合作的韓國的大學，在學術機體系間屈一指。兩間的大學分居二三位。第四名是來斯大學，在過去兩年間申請了33個，幾乎都是從一個名叫詹姆士．杜爾（James Tour）的教授所運作的實驗室而來。
杜爾，55歲，是一個人造有機物化學家，他開朗的人格特質與企業家的活力讓他看起來更像監看研究部門利潤的總經理。一個矮小，有著黑眼睛的男人卻擁有健身房肌肉的身體，在我近拜訪他在萊斯的戴爾．巴徹（Dell Butcher）大樓辦公室時，他喋喋不休地招呼我。"我的意思是，這個材料真是令人驚奇！"他談著石墨烯。"你無法相信這個東西能做什麼 ！"杜爾，就像大多數資深的科學家，必須讓他自己專住在研究與商業兩者。他有兩次出現在國會前警告聯邦預算在科學上的刪減，并說他的研究室能夠增長是因為有競爭性的企業夥伴所擔保的經費。他收取每一筆合約生意每年250,000美元，他的實驗室凈收入比一半多一點，這樣他就可以雇用兩個學生研究員和付出一年的材料錢。杜爾更多的工作包含了鞭策這些研究員的創造力（他們之中的25個獻身於石墨烯）；他們就是設計出這些讓杜爾銷售的創新的人。石墨烯已經是個恩惠，他說，"有很多人進到這個范圍來。并不只是學術機構而是企業，大張旗鼓地，從大型電子公司，像三星，到石油公司。"
杜爾有特別用不完的精力。在白原市一個世俗的猶太家庭被養成，在錫拉庫扎大學當新鮮人時他再度成為基督教徒。已婚，有四個已長成的孩子，他每天早上3：40起床并禱告及研讀一個半小時的圣經－接下來，一周數次，在健身房里運動－然後在早6：15到達辦公室。在2001年，他因為簽署《從達爾文學說而來的科學異議（A Scientific Dissent form Darwinisd》而成為頭條，一個提昇智能世紀的請愿，但是他堅持這只是他反映他個人對有關於一個發生在分子層次的隨機突變的疑慮。雖然他在電子郵件結尾說"上帝保佑，"他說，除開對神圣指引的祈禱習慣，他覺得宗教在他的科學工作上沒有扮演任何的角色。
杜爾認可他的學生漫無目的的研究方法。"我們努力於適合我們奇想的任何事，只要能有奮力一擊，"他說。作為化學家，他指出，他們尤其適合快速的實驗，很多可以在幾個小時內就產出結果－不像物理學家，他們的實驗可以花好幾個月的時間。他的實驗室發表了131篇石墨烯的期刊文章－僅次於在奧斯丁的德州大學－而他的研究者們很快速地向美國及商標局提出暫時性的應用程序，這樣在他們必須提出完整的聲明前，能讓他們的想法擁有一年的合法擁有權。"我們在提出前不會等太久的時間，"杜爾說；他催促學生們在48小時內要將報告寫好。"我只是被許可我們的科技之一的公司通知說我們比人快了將近五天。"
很多他實驗室近的發明被產業界設計來做立即的開發，供應基金以支持更有野心的工作。杜爾已經賣給添加石墨烯的油漆，它的傳導性可能有助於移除直昇機螺旋槳上的冰，可以增加鉆油效率的液體，及以石墨烯為基礎的材料制成充氣滑水道及用在飛機上的救生筏。他指出石墨烯是在地球上唯一對氣體完全不滲透的物質，但是它幾乎沒有重量；越輕的救生筏及滑行道能夠為飛機工業省下一年幾百萬美元的燃油價值。
在杜爾的實驗室中，有一個很大，天花板很高的房間，緊密排著幾列工作桌，還有許多穿著白色實驗服及安全護目鏡的年輕人正在工作著。杜爾和我在一張工作臺旁停下來，那是盧瓦克．山謬爾（ Lo?c Samuels），一個安提瓜的畢業生，正在做一批用在脊髓損傷支架上的石墨烯膠。"與其只是用一個毫無功能的支架材料，倒不如用某種真正具有電傳導性的東西。"山謬爾說，就好像他在珠寶商的浴室中旋繞著一支試管。"那有助於神經細胞，透過電力溝通，并互相連結在一起。"杜爾給我看後腿麻痹的實驗室老鼠的視頻。在一段視頻中，兩只老鼠在底部有英寸刻度的籠子里，拖著它們的後腿。在另一個視頻中，上述的老鼠已經被治療好，能正常地走路。杜爾警告說還要幾年的時間F.D.A.才會允許人體試驗。"不過這是個不可思議的開始，"他說。
在2010年，杜爾的一個研究者，亞歷山大．史雷沙瑞夫（Alexander Slesarev），一個在莫斯科州立大學做研究的俄羅斯人，提出了石墨烯氧化物，一種在氧與氫分子結合在石墨烯上所創造出來的形式，或許能吸引有輻射性的材料。史雷沙瑞夫送了一個樣本給在莫斯科州的前同事，在那里學生們把粉末放進含有核子物質材料的溶液中。他們發現石墨烯氧化物與這些輻射元素相結合，形成一個很容易被鏟除的沈淀物。在那之後不久，在日本發生的地震與海嘯創造出了一個毀滅性的核子物質溢出，杜爾隨即飛到日本并將這項科技宣傳給日本人。"我們此時正在福島布署。"他告訴我。
在其中一張工作桌上的工作，是一個有著圓形，坦率臉孔的年輕人：25歲，名叫葉如全（Ruquan Ye）的博士生，他在去年設計了一個新方法制造量子點（quantam dots），高亮度的奈米粒子用在醫學影像及電漿電視螢幕中。通常是從有毒化學物，如硒化鎘及砷化銦中制造出微量，量子點的一個一千公克的瓶子就要花費一百萬美元。葉的科技使用石墨烯從煤中分離，一噸只要100美元。
"方法很簡單，"葉告訴我。他給我看一個裝滿了細微黑粉末的小瓶子：他磨碎了的無煙煤。"我把這個放進酸溶液中一天，然後用一個熱金屬片加熱溶液。"藉由調整過程，他可以制造出發射好幾種光頻率的物質，制造出好幾種顏色的光點作為腫瘤的個別標的。這種以煤炭為基礎的光點很適合於人體－煤就是碳，而我們也是－這暗示葉的光點可以取代用在全醫院中的高毒性光點。在實驗室隔壁一個黑暗的房間中，他發射一束黑光在好幾個透明液體的小瓶上。它們在發熱的鋼錠中散發著螢光：紅，藍，黃，紫。
杜爾通常拒絕將在他實驗室中的發現歸功於自己。"那都是學生們，"他說。"他們處於這個年齡，二十幾歲，正是突觸伸展的時候。我的工作就是啟發他們并提供信用卡，然後引導他們爬出兔子洞。"但是他承認量子光點的想法是出自於他："有一天，我說，'我們必須找出煤里面是什麼。人類已經使用它五千年。讓我們看看里面真正是什麼。我打賭它是石墨烯的小領域。'－然後，夠確定的，它是。它就被放在那里。一個25％的產量。然後，記住，它可是一千公克一百萬美元！"
杜爾轉向他的實驗室經理，保羅．車魯庫里（Paul Cherukuri），然後說，"我們總有一天會發財的，不是嗎？"在車魯庫里笑的時候，他補充，"我每天都進來這里數錢。"
或許海姆與諾福斯洛夫在2004年的論文中所描述過逗弄人的屬性是"電子遷移率"，隨著它電子資訊可以流過石墨烯的表面。"我們電腦中的緩慢步調是將資訊從A點移動到B點，"杜爾告訴我。"現在你接受這緩慢的步調，矽原子電子中的大障礙，然後你介紹一種新材料然後－砰！突然，你增加了速度，并不是用一個十倍的因素而是用百倍的因素，甚至有可能更多。"
這個消息刺激了正奮戰於跟上摩爾定律（Moore's Law），1965年由戈登．摩爾（Gorden Moore），英特爾的共同創立者所這設計，的半導體產業。每兩年，他預測，電腦晶片的命運－及因此而來的效能－將會加倍。經過50年，工程師們已經經由微型化，包進更多數量的電晶體到晶片的方法－多達40億個在一片指甲大小的矽膠片上－以跟上摩爾定律的腳步。工程師們更進一步用摻雜的矽：從其它元素引進原子已將晶格壓緊的方法讓電腦加速。但是這有一個限制。將晶片縮得越小，將電晶體移得更靠近，矽就會停止工作?？煸?017年，矽晶可能不再能夠跟上摩爾定律。石墨烯，如果可行，提供了一個解決方案。
"再多個五分鐘，我就全是你的了，安希夫人。"然而，有一個問題。半導體，就像矽，是以它們在電子領域前的開和關的能力所定義的；在邏輯晶片，開關的過程生成0與1的電腦語言。石墨烯，一個半金屬，不能夠被關掉。起初，工程師們相信他們可以為石墨烯上涂料以打開一個"能隙（band gap）"，電氣屬性可以讓半導體作為一個開關。但是在海姆與諾福斯洛夫的論文後十年，沒有人成功地打開一個夠寬的間隙。"你必須把它改變很多而讓它不再是石墨烯，"杜爾說。確實，那些已經設法創造這樣的一個間隙的人已經學到這會扼殺電子遷移率，致使石墨烯不會比我們現有使用的材料更好。這個結果已經確定讓半導體公司意志消沈。
我近拜訪湯瑪士 J. 華生（Thomas J. Watson）研究中心，I.B.M.的主要研發實驗室，主要的矽半導體晶片制造者。從紐約市往北半小時，這個中心座落在埃羅．薩里寧（Eero Saarinen）在1961年設計的一棟建筑物里。大量的弧形玻璃伴隨著一個往上彎曲的前遮陽篷，它是對預測未來困境的一種紀念碑。薩里寧想像改變性的想法可能會從躺椅及咖啡桌放在高聳窗戶旁的會議區工作的科學家團體中浮現出來。相反地科學家們在他們小小的，沒有窗戶的獸穴，看起來像是被設計作為後來添加的辦公室中，花掉一天中太多的時間在電腦螢幕前彎腰駝背。
在一個狹小的辦公室中，我遇到了蘇普拉迪克．古哈（Supratik Guha），I.B.M.物理科學的總監并設立企業的研究策略。一個體貼的男人，很精準地了解杜爾的熱情洋溢，古哈很遺憾圍繞著石墨烯作為矽替代品的"過度宣揚"，并且很悲慘地談論要引出能隙要花多大的力氣，頂多，"一個主要的創新遠走了。"他很快補充I.B.M.并沒有結束掉石墨烯。在2014年初，這個企業宣稱他們的研究人員已經建立以石墨烯為基礎用在無線裝置上的整合性電路，而這可以引導出更便宜，更有效率的手機。但是在追求以石墨烯替代矽的路上，古哈承認，他們幾乎不抱希望。
而現在，I.B.M.的焦點還是在單壁碳奈米管上，這是在萊斯大學，由杜爾的指導者及教授，里克．斯摩利（Rick Smalley）所發展出。在80年代，斯摩利和他的同事們發現碳原子分子把它們自己安排成各式各樣的形狀；有些是球體（他稱之為"巴基球"，因為它們與巴克敏司特．富勒（Buckminster Fuller）的測地拱頂相似）而其它的是管狀。當研究者們發現管狀可以作為半導體，這個材料馬上被建議為取代矽的潛在材料。連同他的合作者，斯摩利在1996年贏得諾貝爾化學獎，并建議萊斯大學設立好幾百萬美元的奈米科技中心在後來由杜爾接管。然而碳奈米管無法輕易被推廣。它們必須有能隙，但是建立一個使用它們的晶片需要操作數十億個微小的物體進到精準的位置上－一個已經讓科學家們困惑了約20年的困境。沒有真正承認他已經對碳奈米管失去興趣，杜爾告訴我說它們"從未真正良好的被商業化。"
在I.B.M.，已經投入超過十年的時間在這項研究上及數百萬美元在材料上，所以很不情愿承認失敗。古哈把我介紹給喬治．杜勒夫斯基（George Tulevski），他協助成立I.B.M.的碳－奈米管研究計畫。當我提到石墨烯，他表現出防衛性，這可能是在一個已經致力近10年在一項頑強科技上卻被告知有一個富有魅力的新科技的科學家身上所預期得到的。"設備必須要能開關，"杜勒夫斯基說。"如果它不能被關掉，就會消耗太多的電力。沒有辦法把石墨烯關掉。所以那些電子跑得超快，這非常棒－但是你無法把設備關掉。"
賽勒司．莫迪（Cyrus Mody），歷史學家，也同樣地謹慎。"這個想法是有一種微電子形式，非常理論性，比現有的矽還要快，卻不是新東西，"他告訴我。他指出約瑟夫遜結集電路（Josephson _junction ）的先例。在1962年，英國物理學家布萊恩．大衛．約瑟夫遜（Bryan David Josephson）預測電子將會以史無前例的速度流經由兩個分離的超導體藉由一個"弱連結"的物質組合成的電流。這個洞察力引領出了諾貝爾物理學獎－及如指數般飛快的電子。
"很多人認為我們很快就會轉向到約瑟夫遜結集微電路學上，"莫迪說。"但是當你認真制造一個有很多很多很多邏輯運算的電路并讓這些很多很多這樣的電路有很大的產量時，制造上的問題確實讓它無法得以繼續。而我認為當它們談論石墨烯時，這是一個人們還沒有真正考慮得很清楚的障礙。"
但是其它科學家爭論這個障礙并非石墨烯的物理屬性。"半導體產業知道如何引出能隙，"阿曼達．巴納德（Amanda Barnard），一個理論物理學家，領導澳洲的國民健康科學與產業研究組織，告訴我。困難在於商業。"我們已經在投資大約幾萬億美元在矽上面，而我們并不打算離開它。先，石墨烯必須與矽一同運作－它需要在我們現有的工廠和生產線及研究能力上運作－然後我們就會有些動力繼續。"
杜爾有點同情半導體產業對石墨烯的失望之情。"I.B.M.已經是垂頭喪氣的因為他們只有單一思維，"他說。"他們必須生產電腦－而且他們有摩爾定律。不過那是他們自己的錯誤！還有其它的產業每18個月用雙倍的績效自我挑戰嗎？在化學產業，如果我們每年可以有1％高的產出，我想我們已經做得很好了。"
或許對這項材料廣泛的思考者是湯瑪士．帕拉西奧斯（Thomas Palacios），一個在麻省理工學院（M.I.T.）經營石墨烯設備與2D系統中心的西班牙科學家。與其使用石墨烯改善現有的應用，就像杜爾的實驗室通常這麼做，帕拉西奧斯正試著為未來的建造設備。
在36歲時，帕拉西奧斯有著大學生的瘦長體型和會讓狂暴的野心變得模糊不清的溫柔的說話方式。作為一個電機工程師，他渴求"無所不在的電子設備，"增加到"百分百"的電子設備數目到我們的生活中。從他實驗室的這個觀點，這個可以有很大的提昇，如果每樣物體，從窗戶到咖啡杯，紙幣，和鞋子都內建能量獲取器，感應器，和發光二極管，這就能讓它們很便宜地收集和傳輸資訊。"基本上，在我們身邊的每樣東西都能夠依照需求將它自己轉變成一種展示，"當我近拜訪他的時候，他告訴我。帕拉西奧斯說石墨烯能夠讓這些成為可能；先，當然，它必須被整合到那些咖啡杯和鞋子中。
就像莫迪指出的，徹底的創新必須等待正確的環境。"這與破壞性的科技無關而是與一組科技間的連結性到達一個點而讓它們可能去改變很多實務的時刻更有關系，"他說。"蒸氣引擎在它們成為真正具有破壞性之前已經很長的時間到處都有。真正發生的是在經濟的其它部份，其它與蒸氣引擎連結的科技所造成的改變而讓它變得更有效率也更令人滿意。"
對帕拉西奧斯來說，關鍵的科技補充是3－D打印的進步。在他的實驗室中，4個學生正在發展一個打印機早期原型，這能讓他們創造出以石墨烯為基礎并帶有電"智能"嵌入的物體。跟隨著馬可．德．法西歐（Marco de Fazio），一個來自於義法半導體（STMicrolectronics），一間制造墨水噴頭公司的科學家，他們聚集在一個小型的，半成品的，看起來像是萬能工匠的奇妙裝置放在像鏡子的底座的設備上。"我們幾個星期前才剛拿到這臺打印機，"瑪迪．艾比，一個綁著馬尾的碩士生說。"它來的時候有配套組件。我們需要加入所有的電子設備。"她指著放在桌上的噴嘴。"這個現在只射出塑料，但是馬可給我們的這些噴頭可以印出石墨烯和其它類型的墨水。"
這個團體的成員們正在思考著如何整合石墨烯到他們印出來的物體上。他們可能混合材料到塑料中或僅僅將它印到存在物體的表面。而且還有強大的障礙。這些研究者已經搞清楚如何把石墨烯變成液體－并不是件簡單的工作，既然這個材料是嚴格防水的，這也意味著它會結成塊并阻塞噴頭。他們先需要將石墨烯轉變成石墨烯氧化物，加入氧與氫的分子團，但是這個過程會使它的電子屬性失效。因此一旦他們印出這個物體就必須用雷射加熱它。"當你把它加熱，"艾比說，"你蒸發掉那些分子團然后讓它回歸到石墨烯。"
既然這個有可能但是不確定；她希望讓這個裝置工作三個月。"雷射需要更多從當局而來的認可，"她說，不懷好意的瞥了一下打印機的鏡面底座－這一種可以完美地讓激光束在整個房間中彈跳。德．法西歐建議他們用晶圓將它覆蓋。
"那可能行得通。"艾比說。
"當然，這也是確認是不是因為我希望你生病。"
帕拉西歐斯體認到千禧年的改變只有在適度的，策略性的增量后來臨。他提到三星，根據業界的傳聞，正準備著發表次在屏幕中采用石墨烯的裝置。"石墨烯只是一個小組件，用來傳遞電流到顯示器上，"他說。"但是這是很讓人興奮的次應用－它不需要成為我們正期待著的突破。那是一個石墨烯成為每個人的焦點的好方法，而且那個方法，為更多的投資做了證明。"在此同時，一個它的學生，于莉莉（Lili Yu），已經開始制作可彎曲屏幕的原型。
帕拉西奧斯，在他的辦公室，告訴我說他大的野心目標是"石墨烯折紙，"用這種材料做成的紙可以折成模擬生物細胞內的胞器，及微細結構。"它不同于大自然對DNA所做的事，材料只是個一維的結構被折疊很多，很多，很多次而做成染色體。"如果這個方法行得通，它就可以被用來包裝大量的計算機電力到一個微小的空間里。這可能會應用在醫學上，他說，而且有種他稱之為智能塵埃的東西－"東西就像灰塵粒子那么細小，但是卻有功能性可以告訴我們大氣中的污染，或是附近有感冒病毒。這些東西能夠被鏈接到你的電話或到處都有的嵌入式屏幕，用來告訴你發生在你周遭的事。"
目前，挑戰還是很固著的：科學家們還在試著設計一個成本－效率的方式來規?；圃焓?。像三星這樣的企業使用德州大學所倡導的方法，在低真空的狀態下加熱銅箔到華氏1800度，然后注入甲烷氣體以讓石墨烯在銅的兩側"長成"一個原子厚度的薄片－非常像是結霜的晶體"生長"在窗玻璃上。然后用酸將銅蝕刻掉。如此產生的石墨烯在肉眼下不可見而且太易碎而不能接觸任何東西除了為微電子所設計的儀器之外。這個過程很慢，吃力，而且太貴以至于除了大公司能夠以外沒有人可以負擔。
在杜爾的實驗室，一個26歲的博士后研究生名叫彭繼偉（Zhiwei Peng）正在等待收到他所送出的論文的后評論員的信，在其中他詳述了一個不需要過度加熱，不需要真空，而且不需要氣體就可以制造石墨烯的方法。（這篇論文后被核準發表。）彭幾個月前在這個方法上跌了一跤。他在用雷射加熱石墨烯氧化物的時候，他錯過了樣本，而意外地加熱放置它的材料上，一個聚醯亞安的薄片。雷射碰觸到塑膠的地方，留下了黑色的殘渣。他發現這些殘渣是好幾層的石墨烯，松散地與氧分子連結在一起－就好像黏在海姆膠帶上的殘渣一樣－能夠被輕易的剝落至單層原子片。他展示給我看它如何運作，雷射來回追蹤穿過一個聚醯亞胺薄片并且每一次經過就留下像針一樣薄的材料殘渣。單一層石墨烯吸收2.5％的可見光；當層層堆疊，它們就開始變成黑色。在幾分鐘後，彭已經制造出一個卷曲的，無光澤的黑色晶格－或許只有一英寸寬，卻值得數萬美元。車魯庫里，杜爾的實驗室經理，指著它說，"這是一場競賽。"
科技研究公司高德納（Gartner）用一種叫做技術成熟度曲線（Hyper Cycle）的分析工具協助投資著決定哪一種發現會賺錢。一個像草書小寫 "r " 的曲線圖，圖表是一個發現從科技觸發開始，很快爬升到膨脹期望的高峰，再下降到幻滅的低谷，然後，當實用性被發現，就會逐漸上升到生產高原期。這個含意并不是（或并不只是）大多數的發現沒有如所期望的行動；典型上它是個新東西在宣傳期公開後的某個時間變成有用了。
幾乎每個我談過話的科學家都建議石墨烯要將它自己好好裝扮以大肆宣傳。"只要是我們還處於使用電器設備的時代，它就是個在電力學上有用的材料，"阿曼達．巴納德告訴我。"如果它在我們對電器設備不那麼感興趣的時代來的話，這個宣傳可能就不會那麼不成比例了。不過到那個時候，也沒有同樣的興趣投資了。"確實，亨利．彼得羅司基（Henry Petroski），杜克大學的一個教授與《工程師是人（To Engineer is Human）》一書的作者說要吸引發展資金，宣傳是必要的。但是他提出了一個附帶條件："如果還在發現階段就大四宣傳而產品卻辜負了這項宣傳，那就是它終變得令人失望并被遺棄的一個方式。"
古哈，在I.B.M.，相信奈米科技的領域已經被過度銷售了。"沒有人會堅持從壞消息中得到利益，"他告訴我。"科學家們想要帶來好消息，新聞記者想要報導好消息－對這個系統來說沒有回饋控制。為了要發展一項科技，有很多的訓練需要被帶進來，有很多事要做，而這些可能一點都不迷人。"
杜爾同意，并且承認有一些共謀。"人們在我們身上放了一條不切實際的時程，"他告訴我。"我們科學家會有一種傾向去滿足它－而我對那覺得有罪惡感。在幾年前，我們設立一個分子電子設備。泰晤士報（The Time）的記者打電話問我，"這些什麼時候可以準備好？"我說，'兩年'－而這事無稽之談。我只是對它感到興奮。"
俯瞰明顯的困難到商業發展的推動力對科學家來說是一種流行病。海姆的論文，歸根究底，提到了能隙的問題。"人們知道石墨稀是一種無隙半導體，"阿米爾哈山．諾爾巴克什（Amirhasan Nourbakhsh），一個專業在石墨烯的麻省理工科學家告訴我。"但是石墨烯表現出很高的電子遷移率－而遷移率在半導體產業是非常重要的。人們只是不屑一顧。"
根據歷史學家，弗里德爾所說，科學家們依賴頑固堅定信仰認為一個明顯的障礙物可以被克服。"有一種對懷疑的延緩程度就是好的研究需要被經營，"他說。"藝術的一部分－它還是藝術－來自於已知只是考慮到包容這個懷疑的延緩是合理的，至少是暫時的，并且在它還只是完全的幻想時。"羅德．凱文（Lord Kevin)，以在大西洋海床安裝電信電纜線而聞名，很清楚地有能力俯瞰這個障礙。但并不總是如此。"在他於1907年過世之前，羅德．凱文很小心，很小心地計算一個比空氣重的飛行器是不能可的，"弗里德爾說。"所以我們總是必須要謙卑一點。幾個自行車的結構就可能隨著一起來并證明我們是錯的。"
近，從杜爾實驗室中來的一些令人興奮的專案也遇到了障礙。一種在石油鉆探里使用的液體添加物，由資源公司斯倫貝謝（Schlumberger）的附屬公司所發展，承諾讓鉆探工作更有效率并在地面上留下少的廢物；相反的，裝這種材料桶子在它被使用前就分解了。雇用杜爾的團隊的公司要他們制造充氣式滑道及救生筏以讓飛機建造一個便宜的實驗室。（杜爾對這個很冷靜，部份是因為他知道他還是能從合約中賺到一些錢。"他們必須回來取得，"他說。）當在日本的科學家們無法讓這個粉末運作，而發明他的這個博士後研究員又無法取得簽證過去幫他們時，這個科技對福島反應爐的清理暫停停滯。"你必須教他們該怎麼做，"杜爾說。"你希望pH值是正確的。"
杜爾對石墨烯的樂觀還沒有消失，而且他的團隊也一直運作著更進一步的創新：超快的手機充電器，超乾凈的汽車燃料電池，更便宜的光電電池。"海姆和諾福斯洛夫所作的事向展示石墨烯的驚奇性，就是它有不尋常的電子屬性，"杜爾說。"想像一個人如果是上帝。在這里，他給了我們鉛筆，而這幾年來科學家正試著搞清楚一些偉大的事，而當你在用鉛筆的時候，你只要剝開一片片石墨烯。而這一次，它已經在我們眼前！" ?
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在一個這樣的傍晚，2002年秋天，海姆正思考著碳。他的專業在極微小的薄物質，而且他想知道一層很薄的碳在特定的實驗條件下會有什麼樣的表現。石墨，由原子厚度的碳層堆疊組成，是一種很明顯可以用來實驗的物質，但是用來分離超薄樣本的標準方法就是讓材料過熱，摧毀它。所以海姆安排了他的一個新的博士研究生，江達（Da Jiang），任務是試著獲得一個越薄越好的樣本－或許只有幾百個原子層厚度－藉由拋光一個只有一英寸的石墨晶體。幾周後，江遞出了一個在培養皿中的小碳顆粒。在顯微鏡下檢視以後，海姆回憶，他要他再試一次；江承認這是僅存的晶體了。當海姆逗弄著勸告他時（"你把一座山磨光卻只得到一粒沙？"），一個他的資深研究員垃圾桶中瞥見一個用過的透明膠帶球，它有黏性的那一面覆蓋著一個灰色的，輕微閃光的石墨殘渣薄膜。
這應該是在全所有實驗室中的光景，研究員例行公事地用膠帶測試實驗樣品的黏性。構成石墨的碳層很微弱地連結著（因此，在1564年，被采用做成鉛筆因為它脫落的部份在紙上拖曳的時候有著可以被看見的痕跡），所以膠帶很容易就可以移除它的碎片。海姆放了一片膠帶在顯微鏡下然後發現石墨層比他所見過的都還要薄。藉由折疊膠帶，把殘渣聚集一起然後在拉開，他就可以把碎片剝得更薄。
海姆已經分離出曾被發現的二維材料：一個原子厚度的碳層，在原子顯微鏡下，顯現出扁平的六角格子狀以蜂巢狀結構連結著。理論物理學家已經推論出這樣的物質，稱之為"石墨烯，"但是假設這樣的一個單分子層不能在室溫下被獲得－它應該被拆開成為顯微靜下可見的球體。然而，海姆看到，石墨還是維持在一個單一平面，發展中的波紋使得材料穩定。
海姆將一個名為康士坦?。Z福斯洛夫的博士生的幫助列名，然後他們開始每天工作十四小時研究石墨烯。在接下來兩年中，他們設計了一系列的實驗揭開了這項材料的驚人屬性。因為它獨特的結構，電子可以經由其它層，用超乎尋常的速度與自由毫無阻礙地流過晶格。它能攜帶數千倍於銅的電子。海姆稍後稱這是"次找到了的時刻，"他們展示石墨烯有個顯著的"場域效應，"這種反應只有一些材料放在一個電子場附近時才會顯現出來，而這讓科學家們可以控制傳導性。場域效應是硅元素的顯著特征之一，被使用在計算機芯片中，也有人建議石墨烯可以作為替代品－某種計算機制造者已經尋求多年的東西。
海姆和諾福斯洛夫寫了三頁的論文描述他們的發現。兩次被《自然（Nature)》雜志拒絕，只因為有個讀者陳述說分離一個穩定的，二維材料是"不可能的，"而另一個說這不是個充分的科學進展。"但是在2004年10月，這邊論文，"在一個原子薄度的碳膜上的電子場域效應"被發表在《科學（science)》期刊，并且讓科學家們吃驚。"那就有如科幻小說變成現實，"李潤雨（Youngjoon Gil），三星技術院的執行副總裁，告訴我。
全的實驗室開使用海姆的透明膠帶技術做研究，而研究者們辨認了石墨烯的另一些屬性。雖然它是在已知的宇宙中薄的材料，卻比相等重量的鋼堅硬150倍－確實，是被測量到堅硬的材料。它就如橡膠一樣柔軟而且可以伸展到它自己長度的120％。菲力普．金（Philip Kim)的研究，然后在加州大學，確定石墨烯比先前所表現出來的還具有更強的電子傳導性。金把石墨烯懸浮在真空中，在那里沒有其它物質可以讓它的次原子粒子運動慢下來，而且顯示出它具有"遷移率"－一個電子電荷流過半導體的速度－比矽原子快250倍。
在2010年，海姆和諾福斯洛夫發表論文之後的六年，他們得到了諾貝爾物理學獎。在那個時候，媒體稱呼石墨烯是"神奇的材料，"一種物質，就像衛報（GUARDIAN）說的，"能改變。"物理學，電機，醫學，化學，及其它領域的學術研究者聚焦在石墨烯，就好像科學家們組成了頂級電子公司。英國智慧財產局近發表了一個報告詳列全激增的石墨烯相關的數，從2011年的3,018件到2013年初的8416件。這些建議了一個廣大的應用陣列：超長壽命的電池，可彎曲的電腦螢幕，水的脫鹽，改善太陽能電池，超快速的微電腦。在海姆與諾福斯洛夫的學術之家，曼徹司特大學，英國政府投資了六千萬美元以協助設立石墨烯機構，試圖讓英國成為的大持有國：韓國，，和美國，所有以上的都進入了找到個使用石墨烯改變的競賽中。
科技的進步從發現的那一刻到能轉變為產品是緩慢又曲折的；科學家們間的輿論認為即使當事情很順利，這也要花上數十年。保羅．勞特伯（Paul Lauterbur）和彼得．曼司菲爾德（Peter Mansfield）因發明MRI而在1973年分享了諾貝爾獎－幾乎是在科學家們次了解能讓機器運作的物理反應後的30年。而比瑞典化學家瓊司．雅各．伯澤列厄司（J?ns Jakob Berzelius ）純化在1824年矽原子，及半導體工業誕生之間，更超過了一世紀的時間。
更多的新發現在市場上面臨著強大的挑戰。它們必須引人注目地便宜或比已經在銷售的產品更好，并且它們必須是在經濟范圍內有助於生產制造。當一項材料來了，像石墨烯，作為一個偶然的發現，卻沒有目標性的應用，而還有一個障礙物是：想像力的極限。既然我們有了這個東西，我們該拿它怎麼辦？
鋁，於1820年代在很微量下被發現於實驗室中，并被奉為神奇的物質，它有著從未在金屬中見過的性質：重量輕，有光澤，抗銹，而且有高度的傳導性。它可以從黏土里被分離出來（起初，它被稱為"從黏土里來的銀"），而認為它是有價值物質的想法是從一個很平常的鏈金術性質而來。在1850年，一個法國化學家設計了一個可以一次制造幾公克的方法，之後鋁很快就被應用在貴珠寶上。三十年之後，一個新的制程，使用電力，容許工業生產，價格也隨之一瀉千里。
"人們說，'哇！我們從黏土里得到這種銀而且現在真的很便宜所以我們可以用在任何東西上，' " 羅伯特．弗里德爾，一個在馬里大學的科技歷史學家，告訴我。但是熱情很快就冷卻："他們想不出來能用它做什麼。"在1900年，席爾司與羅巴克百貨（Sears and Roebuck)的目錄上廣告鋁壺與鋁平底鍋，弗里德爾提到，'但是你無法找到任何我們能稱之為'科技的'使用。"直到次大戰之後，鋁才找到它轉變性的使用。"這個殺手級的應用就是飛機，在他們全都同心協力而且熱衷於這項材料的時候，它甚至都還不存在。"
一些被高度吹捧著的發現完全失敗。在1986年，I.B.M.研究員喬治．貝德諾茲（Georg Bednorz）和 K. 亞力克司．穆勒（K. Alex Müller）發現陶瓷比超導體更能被徹底運用。次年，他們贏得諾貝爾獎，然後一個巨大的樂觀主義浪潮隨之而來。"總統委員會被倉促地組成只是為了讓美國處於的地位。"賽勒司．莫迪（Cyrus Mody），休士頓萊斯大學的科學歷史教授說。"人們在接下來的幾年內會談論著飄浮的火車及無限傳輸線路。"但是在三十年的奮斗後，幾乎沒有人可以讓易碎的陶瓷變得可以存活過每天的使用。
弗里德爾提供了一個大概的原理："越是創新的－越能打破模式－創新就是，我們不太可能想出它真正能夠被用在何處。"迄今，包含石墨烯的消費產品只有網球拍和墨水。但是很多科學家堅持它不尋常的屬性後會引導出一個突破性進展。根據海姆所說，匯集的金錢與研究者已經加速到實際運用的一般的時程。"我們從亞微米碎片開始，甚至只能用光學顯微鏡才看得到，"他說。"我從未想像過在2009，2010年左右，人們已經開始以平方米制造這個材料。這真是個機端快速的進展。"他補充，"一旦有人看到金礦，於是從很多不同研究范圍的重裝備就會被應用上。那時候人們就會想，我們真是很有發明才能的動物。"
三星，韓國背景的電子巨人，持有石墨烯多數的，但是在近幾年，研究機構，而不是企業，已經不再那麼積極。一間與三星合作的韓國的大學，在學術機體系間屈一指。兩間的大學分居二三位。第四名是來斯大學，在過去兩年間申請了33個，幾乎都是從一個名叫詹姆士．杜爾（James Tour）的教授所運作的實驗室而來。
杜爾，55歲，是一個人造有機物化學家，他開朗的人格特質與企業家的活力讓他看起來更像監看研究部門利潤的總經理。一個矮小，有著黑眼睛的男人卻擁有健身房肌肉的身體，在我近拜訪他在萊斯的戴爾．巴徹（Dell Butcher）大樓辦公室時，他喋喋不休地招呼我。"我的意思是，這個材料真是令人驚奇！"他談著石墨烯。"你無法相信這個東西能做什麼 ！"杜爾，就像大多數資深的科學家，必須讓他自己專住在研究與商業兩者。他有兩次出現在國會前警告聯邦預算在科學上的刪減，并說他的研究室能夠增長是因為有競爭性的企業夥伴所擔保的經費。他收取每一筆合約生意每年250,000美元，他的實驗室凈收入比一半多一點，這樣他就可以雇用兩個學生研究員和付出一年的材料錢。杜爾更多的工作包含了鞭策這些研究員的創造力（他們之中的25個獻身於石墨烯）；他們就是設計出這些讓杜爾銷售的創新的人。石墨烯已經是個恩惠，他說，"有很多人進到這個范圍來。并不只是學術機構而是企業，大張旗鼓地，從大型電子公司，像三星，到石油公司。"
杜爾有特別用不完的精力。在白原市一個世俗的猶太家庭被養成，在錫拉庫扎大學當新鮮人時他再度成為基督教徒。已婚，有四個已長成的孩子，他每天早上3：40起床并禱告及研讀一個半小時的圣經－接下來，一周數次，在健身房里運動－然後在早6：15到達辦公室。在2001年，他因為簽署《從達爾文學說而來的科學異議（A Scientific Dissent form Darwinisd》而成為頭條，一個提昇智能世紀的請愿，但是他堅持這只是他反映他個人對有關於一個發生在分子層次的隨機突變的疑慮。雖然他在電子郵件結尾說"上帝保佑，"他說，除開對神圣指引的祈禱習慣，他覺得宗教在他的科學工作上沒有扮演任何的角色。
杜爾認可他的學生漫無目的的研究方法。"我們努力於適合我們奇想的任何事，只要能有奮力一擊，"他說。作為化學家，他指出，他們尤其適合快速的實驗，很多可以在幾個小時內就產出結果－不像物理學家，他們的實驗可以花好幾個月的時間。他的實驗室發表了131篇石墨烯的期刊文章－僅次於在奧斯丁的德州大學－而他的研究者們很快速地向美國及商標局提出暫時性的應用程序，這樣在他們必須提出完整的聲明前，能讓他們的想法擁有一年的合法擁有權。"我們在提出前不會等太久的時間，"杜爾說；他催促學生們在48小時內要將報告寫好。"我只是被許可我們的科技之一的公司通知說我們比人快了將近五天。"
很多他實驗室近的發明被產業界設計來做立即的開發，供應基金以支持更有野心的工作。杜爾已經賣給添加石墨烯的油漆，它的傳導性可能有助於移除直昇機螺旋槳上的冰，可以增加鉆油效率的液體，及以石墨烯為基礎的材料制成充氣滑水道及用在飛機上的救生筏。他指出石墨烯是在地球上唯一對氣體完全不滲透的物質，但是它幾乎沒有重量；越輕的救生筏及滑行道能夠為飛機工業省下一年幾百萬美元的燃油價值。
在杜爾的實驗室中，有一個很大，天花板很高的房間，緊密排著幾列工作桌，還有許多穿著白色實驗服及安全護目鏡的年輕人正在工作著。杜爾和我在一張工作臺旁停下來，那是盧瓦克．山謬爾（ Lo?c Samuels），一個安提瓜的畢業生，正在做一批用在脊髓損傷支架上的石墨烯膠。"與其只是用一個毫無功能的支架材料，倒不如用某種真正具有電傳導性的東西。"山謬爾說，就好像他在珠寶商的浴室中旋繞著一支試管。"那有助於神經細胞，透過電力溝通，并互相連結在一起。"杜爾給我看後腿麻痹的實驗室老鼠的視頻。在一段視頻中，兩只老鼠在底部有英寸刻度的籠子里，拖著它們的後腿。在另一個視頻中，上述的老鼠已經被治療好，能正常地走路。杜爾警告說還要幾年的時間F.D.A.才會允許人體試驗。"不過這是個不可思議的開始，"他說。
在2010年，杜爾的一個研究者，亞歷山大．史雷沙瑞夫（Alexander Slesarev），一個在莫斯科州立大學做研究的俄羅斯人，提出了石墨烯氧化物，一種在氧與氫分子結合在石墨烯上所創造出來的形式，或許能吸引有輻射性的材料。史雷沙瑞夫送了一個樣本給在莫斯科州的前同事，在那里學生們把粉末放進含有核子物質材料的溶液中。他們發現石墨烯氧化物與這些輻射元素相結合，形成一個很容易被鏟除的沈淀物。在那之後不久，在日本發生的地震與海嘯創造出了一個毀滅性的核子物質溢出，杜爾隨即飛到日本并將這項科技宣傳給日本人。"我們此時正在福島布署。"他告訴我。
在其中一張工作桌上的工作，是一個有著圓形，坦率臉孔的年輕人：25歲，名叫葉如全（Ruquan Ye）的博士生，他在去年設計了一個新方法制造量子點（quantam dots），高亮度的奈米粒子用在醫學影像及電漿電視螢幕中。通常是從有毒化學物，如硒化鎘及砷化銦中制造出微量，量子點的一個一千公克的瓶子就要花費一百萬美元。葉的科技使用石墨烯從煤中分離，一噸只要100美元。
"方法很簡單，"葉告訴我。他給我看一個裝滿了細微黑粉末的小瓶子：他磨碎了的無煙煤。"我把這個放進酸溶液中一天，然後用一個熱金屬片加熱溶液。"藉由調整過程，他可以制造出發射好幾種光頻率的物質，制造出好幾種顏色的光點作為腫瘤的個別標的。這種以煤炭為基礎的光點很適合於人體－煤就是碳，而我們也是－這暗示葉的光點可以取代用在全醫院中的高毒性光點。在實驗室隔壁一個黑暗的房間中，他發射一束黑光在好幾個透明液體的小瓶上。它們在發熱的鋼錠中散發著螢光：紅，藍，黃，紫。
杜爾通常拒絕將在他實驗室中的發現歸功於自己。"那都是學生們，"他說。"他們處於這個年齡，二十幾歲，正是突觸伸展的時候。我的工作就是啟發他們并提供信用卡，然後引導他們爬出兔子洞。"但是他承認量子光點的想法是出自於他："有一天，我說，'我們必須找出煤里面是什麼。人類已經使用它五千年。讓我們看看里面真正是什麼。我打賭它是石墨烯的小領域。'－然後，夠確定的，它是。它就被放在那里。一個25％的產量。然後，記住，它可是一千公克一百萬美元！"
杜爾轉向他的實驗室經理，保羅．車魯庫里（Paul Cherukuri），然後說，"我們總有一天會發財的，不是嗎？"在車魯庫里笑的時候，他補充，"我每天都進來這里數錢。"
或許海姆與諾福斯洛夫在2004年的論文中所描述過逗弄人的屬性是"電子遷移率"，隨著它電子資訊可以流過石墨烯的表面。"我們電腦中的緩慢步調是將資訊從A點移動到B點，"杜爾告訴我。"現在你接受這緩慢的步調，矽原子電子中的大障礙，然後你介紹一種新材料然後－砰！突然，你增加了速度，并不是用一個十倍的因素而是用百倍的因素，甚至有可能更多。"
這個消息刺激了正奮戰於跟上摩爾定律（Moore's Law），1965年由戈登．摩爾（Gorden Moore），英特爾的共同創立者所這設計，的半導體產業。每兩年，他預測，電腦晶片的命運－及因此而來的效能－將會加倍。經過50年，工程師們已經經由微型化，包進更多數量的電晶體到晶片的方法－多達40億個在一片指甲大小的矽膠片上－以跟上摩爾定律的腳步。工程師們更進一步用摻雜的矽：從其它元素引進原子已將晶格壓緊的方法讓電腦加速。但是這有一個限制。將晶片縮得越小，將電晶體移得更靠近，矽就會停止工作?？煸?017年，矽晶可能不再能夠跟上摩爾定律。石墨烯，如果可行，提供了一個解決方案。
"再多個五分鐘，我就全是你的了，安希夫人。"然而，有一個問題。半導體，就像矽，是以它們在電子領域前的開和關的能力所定義的；在邏輯晶片，開關的過程生成0與1的電腦語言。石墨烯，一個半金屬，不能夠被關掉。起初，工程師們相信他們可以為石墨烯上涂料以打開一個"能隙（band gap）"，電氣屬性可以讓半導體作為一個開關。但是在海姆與諾福斯洛夫的論文後十年，沒有人成功地打開一個夠寬的間隙。"你必須把它改變很多而讓它不再是石墨烯，"杜爾說。確實，那些已經設法創造這樣的一個間隙的人已經學到這會扼殺電子遷移率，致使石墨烯不會比我們現有使用的材料更好。這個結果已經確定讓半導體公司意志消沈。
我近拜訪湯瑪士 J. 華生（Thomas J. Watson）研究中心，I.B.M.的主要研發實驗室，主要的矽半導體晶片制造者。從紐約市往北半小時，這個中心座落在埃羅．薩里寧（Eero Saarinen）在1961年設計的一棟建筑物里。大量的弧形玻璃伴隨著一個往上彎曲的前遮陽篷，它是對預測未來困境的一種紀念碑。薩里寧想像改變性的想法可能會從躺椅及咖啡桌放在高聳窗戶旁的會議區工作的科學家團體中浮現出來。相反地科學家們在他們小小的，沒有窗戶的獸穴，看起來像是被設計作為後來添加的辦公室中，花掉一天中太多的時間在電腦螢幕前彎腰駝背。
在一個狹小的辦公室中，我遇到了蘇普拉迪克．古哈（Supratik Guha），I.B.M.物理科學的總監并設立企業的研究策略。一個體貼的男人，很精準地了解杜爾的熱情洋溢，古哈很遺憾圍繞著石墨烯作為矽替代品的"過度宣揚"，并且很悲慘地談論要引出能隙要花多大的力氣，頂多，"一個主要的創新遠走了。"他很快補充I.B.M.并沒有結束掉石墨烯。在2014年初，這個企業宣稱他們的研究人員已經建立以石墨烯為基礎用在無線裝置上的整合性電路，而這可以引導出更便宜，更有效率的手機。但是在追求以石墨烯替代矽的路上，古哈承認，他們幾乎不抱希望。
而現在，I.B.M.的焦點還是在單壁碳奈米管上，這是在萊斯大學，由杜爾的指導者及教授，里克．斯摩利（Rick Smalley）所發展出。在80年代，斯摩利和他的同事們發現碳原子分子把它們自己安排成各式各樣的形狀；有些是球體（他稱之為"巴基球"，因為它們與巴克敏司特．富勒（Buckminster Fuller）的測地拱頂相似）而其它的是管狀。當研究者們發現管狀可以作為半導體，這個材料馬上被建議為取代矽的潛在材料。連同他的合作者，斯摩利在1996年贏得諾貝爾化學獎，并建議萊斯大學設立好幾百萬美元的奈米科技中心在後來由杜爾接管。然而碳奈米管無法輕易被推廣。它們必須有能隙，但是建立一個使用它們的晶片需要操作數十億個微小的物體進到精準的位置上－一個已經讓科學家們困惑了約20年的困境。沒有真正承認他已經對碳奈米管失去興趣，杜爾告訴我說它們"從未真正良好的被商業化。"
在I.B.M.，已經投入超過十年的時間在這項研究上及數百萬美元在材料上，所以很不情愿承認失敗。古哈把我介紹給喬治．杜勒夫斯基（George Tulevski），他協助成立I.B.M.的碳－奈米管研究計畫。當我提到石墨烯，他表現出防衛性，這可能是在一個已經致力近10年在一項頑強科技上卻被告知有一個富有魅力的新科技的科學家身上所預期得到的。"設備必須要能開關，"杜勒夫斯基說。"如果它不能被關掉，就會消耗太多的電力。沒有辦法把石墨烯關掉。所以那些電子跑得超快，這非常棒－但是你無法把設備關掉。"
賽勒司．莫迪（Cyrus Mody），歷史學家，也同樣地謹慎。"這個想法是有一種微電子形式，非常理論性，比現有的矽還要快，卻不是新東西，"他告訴我。他指出約瑟夫遜結集電路（Josephson _junction ）的先例。在1962年，英國物理學家布萊恩．大衛．約瑟夫遜（Bryan David Josephson）預測電子將會以史無前例的速度流經由兩個分離的超導體藉由一個"弱連結"的物質組合成的電流。這個洞察力引領出了諾貝爾物理學獎－及如指數般飛快的電子。
"很多人認為我們很快就會轉向到約瑟夫遜結集微電路學上，"莫迪說。"但是當你認真制造一個有很多很多很多邏輯運算的電路并讓這些很多很多這樣的電路有很大的產量時，制造上的問題確實讓它無法得以繼續。而我認為當它們談論石墨烯時，這是一個人們還沒有真正考慮得很清楚的障礙。"
但是其它科學家爭論這個障礙并非石墨烯的物理屬性。"半導體產業知道如何引出能隙，"阿曼達．巴納德（Amanda Barnard），一個理論物理學家，領導澳洲的國民健康科學與產業研究組織，告訴我。困難在於商業。"我們已經在投資大約幾萬億美元在矽上面，而我們并不打算離開它。先，石墨烯必須與矽一同運作－它需要在我們現有的工廠和生產線及研究能力上運作－然後我們就會有些動力繼續。"
杜爾有點同情半導體產業對石墨烯的失望之情。"I.B.M.已經是垂頭喪氣的因為他們只有單一思維，"他說。"他們必須生產電腦－而且他們有摩爾定律。不過那是他們自己的錯誤！還有其它的產業每18個月用雙倍的績效自我挑戰嗎？在化學產業，如果我們每年可以有1％高的產出，我想我們已經做得很好了。"
或許對這項材料廣泛的思考者是湯瑪士．帕拉西奧斯（Thomas Palacios），一個在麻省理工學院（M.I.T.）經營石墨烯設備與2D系統中心的西班牙科學家。與其使用石墨烯改善現有的應用，就像杜爾的實驗室通常這麼做，帕拉西奧斯正試著為未來的建造設備。
在36歲時，帕拉西奧斯有著大學生的瘦長體型和會讓狂暴的野心變得模糊不清的溫柔的說話方式。作為一個電機工程師，他渴求"無所不在的電子設備，"增加到"百分百"的電子設備數目到我們的生活中。從他實驗室的這個觀點，這個可以有很大的提昇，如果每樣物體，從窗戶到咖啡杯，紙幣，和鞋子都內建能量獲取器，感應器，和發光二極管，這就能讓它們很便宜地收集和傳輸資訊。"基本上，在我們身邊的每樣東西都能夠依照需求將它自己轉變成一種展示，"當我近拜訪他的時候，他告訴我。帕拉西奧斯說石墨烯能夠讓這些成為可能；先，當然，它必須被整合到那些咖啡杯和鞋子中。
就像莫迪指出的，徹底的創新必須等待正確的環境。"這與破壞性的科技無關而是與一組科技間的連結性到達一個點而讓它們可能去改變很多實務的時刻更有關系，"他說。"蒸氣引擎在它們成為真正具有破壞性之前已經很長的時間到處都有。真正發生的是在經濟的其它部份，其它與蒸氣引擎連結的科技所造成的改變而讓它變得更有效率也更令人滿意。"
對帕拉西奧斯來說，關鍵的科技補充是3－D打印的進步。在他的實驗室中，4個學生正在發展一個打印機早期原型，這能讓他們創造出以石墨烯為基礎并帶有電"智能"嵌入的物體。跟隨著馬可．德．法西歐（Marco de Fazio），一個來自於義法半導體（STMicrolectronics），一間制造墨水噴頭公司的科學家，他們聚集在一個小型的，半成品的，看起來像是萬能工匠的奇妙裝置放在像鏡子的底座的設備上。"我們幾個星期前才剛拿到這臺打印機，"瑪迪．艾比，一個綁著馬尾的碩士生說。"它來的時候有配套組件。我們需要加入所有的電子設備。"她指著放在桌上的噴嘴。"這個現在只射出塑料，但是馬可給我們的這些噴頭可以印出石墨烯和其它類型的墨水。"
這個團體的成員們正在思考著如何整合石墨烯到他們印出來的物體上。他們可能混合材料到塑料中或僅僅將它印到存在物體的表面。而且還有強大的障礙。這些研究者已經搞清楚如何把石墨烯變成液體－并不是件簡單的工作，既然這個材料是嚴格防水的，這也意味著它會結成塊并阻塞噴頭。他們先需要將石墨烯轉變成石墨烯氧化物，加入氧與氫的分子團，但是這個過程會使它的電子屬性失效。因此一旦他們印出這個物體就必須用雷射加熱它。"當你把它加熱，"艾比說，"你蒸發掉那些分子團然后讓它回歸到石墨烯。"
既然這個有可能但是不確定；她希望讓這個裝置工作三個月。"雷射需要更多從當局而來的認可，"她說，不懷好意的瞥了一下打印機的鏡面底座－這一種可以完美地讓激光束在整個房間中彈跳。德．法西歐建議他們用晶圓將它覆蓋。
"那可能行得通。"艾比說。
"當然，這也是確認是不是因為我希望你生病。"
帕拉西歐斯體認到千禧年的改變只有在適度的，策略性的增量后來臨。他提到三星，根據業界的傳聞，正準備著發表次在屏幕中采用石墨烯的裝置。"石墨烯只是一個小組件，用來傳遞電流到顯示器上，"他說。"但是這是很讓人興奮的次應用－它不需要成為我們正期待著的突破。那是一個石墨烯成為每個人的焦點的好方法，而且那個方法，為更多的投資做了證明。"在此同時，一個它的學生，于莉莉（Lili Yu），已經開始制作可彎曲屏幕的原型。
帕拉西奧斯，在他的辦公室，告訴我說他大的野心目標是"石墨烯折紙，"用這種材料做成的紙可以折成模擬生物細胞內的胞器，及微細結構。"它不同于大自然對DNA所做的事，材料只是個一維的結構被折疊很多，很多，很多次而做成染色體。"如果這個方法行得通，它就可以被用來包裝大量的計算機電力到一個微小的空間里。這可能會應用在醫學上，他說，而且有種他稱之為智能塵埃的東西－"東西就像灰塵粒子那么細小，但是卻有功能性可以告訴我們大氣中的污染，或是附近有感冒病毒。這些東西能夠被鏈接到你的電話或到處都有的嵌入式屏幕，用來告訴你發生在你周遭的事。"
目前，挑戰還是很固著的：科學家們還在試著設計一個成本－效率的方式來規?；圃焓?。像三星這樣的企業使用德州大學所倡導的方法，在低真空的狀態下加熱銅箔到華氏1800度，然后注入甲烷氣體以讓石墨烯在銅的兩側"長成"一個原子厚度的薄片－非常像是結霜的晶體"生長"在窗玻璃上。然后用酸將銅蝕刻掉。如此產生的石墨烯在肉眼下不可見而且太易碎而不能接觸任何東西除了為微電子所設計的儀器之外。這個過程很慢，吃力，而且太貴以至于除了大公司能夠以外沒有人可以負擔。
在杜爾的實驗室，一個26歲的博士后研究生名叫彭繼偉（Zhiwei Peng）正在等待收到他所送出的論文的后評論員的信，在其中他詳述了一個不需要過度加熱，不需要真空，而且不需要氣體就可以制造石墨烯的方法。（這篇論文后被核準發表。）彭幾個月前在這個方法上跌了一跤。他在用雷射加熱石墨烯氧化物的時候，他錯過了樣本，而意外地加熱放置它的材料上，一個聚醯亞安的薄片。雷射碰觸到塑膠的地方，留下了黑色的殘渣。他發現這些殘渣是好幾層的石墨烯，松散地與氧分子連結在一起－就好像黏在海姆膠帶上的殘渣一樣－能夠被輕易的剝落至單層原子片。他展示給我看它如何運作，雷射來回追蹤穿過一個聚醯亞胺薄片并且每一次經過就留下像針一樣薄的材料殘渣。單一層石墨烯吸收2.5％的可見光；當層層堆疊，它們就開始變成黑色。在幾分鐘後，彭已經制造出一個卷曲的，無光澤的黑色晶格－或許只有一英寸寬，卻值得數萬美元。車魯庫里，杜爾的實驗室經理，指著它說，"這是一場競賽。"
科技研究公司高德納（Gartner）用一種叫做技術成熟度曲線（Hyper Cycle）的分析工具協助投資著決定哪一種發現會賺錢。一個像草書小寫 "r " 的曲線圖，圖表是一個發現從科技觸發開始，很快爬升到膨脹期望的高峰，再下降到幻滅的低谷，然後，當實用性被發現，就會逐漸上升到生產高原期。這個含意并不是（或并不只是）大多數的發現沒有如所期望的行動；典型上它是個新東西在宣傳期公開後的某個時間變成有用了。
幾乎每個我談過話的科學家都建議石墨烯要將它自己好好裝扮以大肆宣傳。"只要是我們還處於使用電器設備的時代，它就是個在電力學上有用的材料，"阿曼達．巴納德告訴我。"如果它在我們對電器設備不那麼感興趣的時代來的話，這個宣傳可能就不會那麼不成比例了。不過到那個時候，也沒有同樣的興趣投資了。"確實，亨利．彼得羅司基（Henry Petroski），杜克大學的一個教授與《工程師是人（To Engineer is Human）》一書的作者說要吸引發展資金，宣傳是必要的。但是他提出了一個附帶條件："如果還在發現階段就大四宣傳而產品卻辜負了這項宣傳，那就是它終變得令人失望并被遺棄的一個方式。"
古哈，在I.B.M.，相信奈米科技的領域已經被過度銷售了。"沒有人會堅持從壞消息中得到利益，"他告訴我。"科學家們想要帶來好消息，新聞記者想要報導好消息－對這個系統來說沒有回饋控制。為了要發展一項科技，有很多的訓練需要被帶進來，有很多事要做，而這些可能一點都不迷人。"
杜爾同意，并且承認有一些共謀。"人們在我們身上放了一條不切實際的時程，"他告訴我。"我們科學家會有一種傾向去滿足它－而我對那覺得有罪惡感。在幾年前，我們設立一個分子電子設備。泰晤士報（The Time）的記者打電話問我，"這些什麼時候可以準備好？"我說，'兩年'－而這事無稽之談。我只是對它感到興奮。"
俯瞰明顯的困難到商業發展的推動力對科學家來說是一種流行病。海姆的論文，歸根究底，提到了能隙的問題。"人們知道石墨稀是一種無隙半導體，"阿米爾哈山．諾爾巴克什（Amirhasan Nourbakhsh），一個專業在石墨烯的麻省理工科學家告訴我。"但是石墨烯表現出很高的電子遷移率－而遷移率在半導體產業是非常重要的。人們只是不屑一顧。"
根據歷史學家，弗里德爾所說，科學家們依賴頑固堅定信仰認為一個明顯的障礙物可以被克服。"有一種對懷疑的延緩程度就是好的研究需要被經營，"他說。"藝術的一部分－它還是藝術－來自於已知只是考慮到包容這個懷疑的延緩是合理的，至少是暫時的，并且在它還只是完全的幻想時。"羅德．凱文（Lord Kevin)，以在大西洋海床安裝電信電纜線而聞名，很清楚地有能力俯瞰這個障礙。但并不總是如此。"在他於1907年過世之前，羅德．凱文很小心，很小心地計算一個比空氣重的飛行器是不能可的，"弗里德爾說。"所以我們總是必須要謙卑一點。幾個自行車的結構就可能隨著一起來并證明我們是錯的。"
近，從杜爾實驗室中來的一些令人興奮的專案也遇到了障礙。一種在石油鉆探里使用的液體添加物，由資源公司斯倫貝謝（Schlumberger）的附屬公司所發展，承諾讓鉆探工作更有效率并在地面上留下少的廢物；相反的，裝這種材料桶子在它被使用前就分解了。雇用杜爾的團隊的公司要他們制造充氣式滑道及救生筏以讓飛機建造一個便宜的實驗室。（杜爾對這個很冷靜，部份是因為他知道他還是能從合約中賺到一些錢。"他們必須回來取得，"他說。）當在日本的科學家們無法讓這個粉末運作，而發明他的這個博士後研究員又無法取得簽證過去幫他們時，這個科技對福島反應爐的清理暫停停滯。"你必須教他們該怎麼做，"杜爾說。"你希望pH值是正確的。"
杜爾對石墨烯的樂觀還沒有消失，而且他的團隊也一直運作著更進一步的創新：超快的手機充電器，超乾凈的汽車燃料電池，更便宜的光電電池。"海姆和諾福斯洛夫所作的事向展示石墨烯的驚奇性，就是它有不尋常的電子屬性，"杜爾說。"想像一個人如果是上帝。在這里，他給了我們鉛筆，而這幾年來科學家正試著搞清楚一些偉大的事，而當你在用鉛筆的時候，你只要剝開一片片石墨烯。而這一次，它已經在我們眼前！" ?
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