長久以來，材料學家就知道，可以通過精心排布碳原子的方式獲得強度超高的物質，如石墨烯。

迄今為止，石墨烯是人類已知的強度最大的材料，其由在非常薄的二維平面上排列的碳原子所成。但是它有一個缺點：雖然它的薄度和獨特的導電性能值得關注，可是要用石墨烯來制造出有用的三維形態的材料是非常困難的。

2017年1月，麻省理工學院的一支研究團隊發現，利用小片的石墨烯，將它們融合成網狀結構不僅可以保留材料的強度，而且保持了材料的多孔性態。

根據在3D打印模型上進行的實驗，研究人員已經確定，這種材料具有獨特的幾何結構，實際上比石墨烯更強——強度比低碳鋼強10倍，但密度只有后者5%。3D石墨烯可望讓其中的電子攜帶電荷，但不帶質子——就像光子一樣，因而使其成為最有希望在拓撲材料表面達到像超導體般電導率的新方法之一。新發現的超高強度但特別輕巧的材料將會有極其廣闊的應用。

您可以在下面看到三維石墨烯上的壓縮和拉伸測試的模擬結果：

該項研究成果由Markus J. Buehler、Zhao Qin、Gang Seob Jung、Min Jeong Kang等發表在2017年1月6日的Science Advances上。

上圖為摘錄文章中的數據圖：不同原子級、3D打印的螺旋形的機械性能測試

該團隊主要的研究內容是將石墨烯材料用于制作碳納米晶體管，并構造出3D芯片來。據稱研究內容將有望以更低的成本實現50倍計算性能的提升。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯構成

2017年Max教授再次于《自然》雜志發文提出單芯片上三維集成的計算和存儲模型，也是在這篇文章中產生了石墨烯制造的碳納米管3D芯片這一概念。

2013年的那個碳納米晶體計算機是完全意義上的純碳納米技術計算機，其主要內容是探索用新材料取代硅做新型電子設備的材料，而最近發表于自然雜志的石墨烯3D芯片則是試圖用石墨烯材料參與到傳統硅芯片的構建中來，兩者的思路是不盡相同的。

（僅從論文配圖就可以明顯看出不是純石墨烯芯片）

該教授2017年發表在《自然》雜志論文中報告的芯片，擁著四個集成電路層，并擁有5個子系統。其中負責實驗樣品蒸汽數據采集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構建的，而電阻隨機存儲單元（RRAM）和接口電路是由硅晶體管構建的。毫無疑問，這是一個組合型的氣味探測芯片，而不僅僅是碳納米晶體管構成的。

石墨烯芯片還存在很多問題

之所以人們會想用石墨烯以取代現有的硅半導體作為芯片的材料，用Max教授的2013年的話說就是：“與傳統晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導性也更強，并且能夠支持快速開關，因此其性能和能耗表現也遠遠好于傳統硅材料”。

換言之就是說，石墨烯具有硅所不具備的更優良的力學、化學和電學性能。不過這些優勢真的是電子工業所需要的嗎？近幾年來，作為計算機核心的CPU的單核性能不再像過去一樣大幅提高的主要原因真的是因為硅半導體材料的力學、化學和電學性能不行嗎？

事實顯然不是這樣，現今CPU綜合性能上不去有復雜度太大的原因，有主頻難以繼續提高的原因，也有芯片功耗障礙的原因和帶寬障礙的原因。這些原因都不是因為硅半導體本身的材料問題造成的。

以主頻的提高為例，130nm工藝之后，芯片電路延遲隨晶體管縮小的趨勢越來越弱。伴隨而來的就是主頻的提升越來越難，目前制約主頻的主要因素已經成為連線時延而非晶體管的翻轉速度。

（隨著制程的減小，門延遲降低而連線延遲上升）

可見此時引入新的材料并不能解決電子工業面臨的問題，何況以石墨烯構建芯片還面臨著與舊生態不兼容、加工困難的問題。事實上，半導體電子管誕生初期就有過是不是應該用功耗更低的鍺來做半導體的基材的討論。最后因為成本以及硅電路過去的積累最終使產業界放棄了這一打算。

今天引入的新材料，如果不能解決上面這些關鍵問題，面對的壁壘比當年的鍺半導體材料只大不小，所以Max最近的研究開始向石墨烯輔助硅轉變。

Max教授在他近期的論文中宣稱：“該芯片的RRAM和碳納米晶體管在200度下制造，而傳統的工藝需要1000度”。低溫有助于大大增加集成電路層之間的縱向聯系，按該論文的說法，石墨烯3D芯片的縱向聯系比傳統方式增加了1000倍。而這種聯系有助于解決大型集成電路元件中帶寬障礙的問題。

這種溫度上的差異是由石墨烯材料與硅半導體加工方式不同造成的，構建芯片的晶體管并非是蝕刻加工的，而是“生長”出來的。石墨烯3D芯片制造靠的是化學而非物理作用。

這種方式在一定程度上有其優越的一面，另一方面，如何大規模的、均勻的、同樣大小的生長碳納米晶體管也是令人頭疼的問題。

2013年全球首臺碳納米晶體管計算機誕生時Max Shulaker教授說：“這是人類利用碳納米管生產的最復雜的電子設備。”而這臺計算機僅僅只有178個晶體管，同時只能運行支持計數和排列等簡單功能的操作系統。這與當時的硅半導體計算機存在數千萬倍的差距。

Max教授在另一篇論文中也承認“碳納米管（加工中）容易改變，這會降低電路產量，降低電路的抗干擾能力，并嚴重降低其能源和速度效益。為了克服這一突出的挑戰，需要探索和優化碳納米管處理方案和 CNFET 電路設計。”