初原載于?工大材料匯????2019-10-31

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BLACK?

CARBON

你了解碳嗎？

——簡析新型碳材料

煤炭不僅是經(jīng)濟發(fā)展的能源基礎(chǔ)，也是開發(fā)新型材料的重要原料。以煤碳為原料可以制得各種很有用的碳材料。從煤碳到石墨、金剛石、活性炭等材料。以及20世紀80年代以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)以C60，炭納米管、富勒烯等。具有納米結(jié)構(gòu)的炭材料，是繼石墨、金剛石之后發(fā)現(xiàn)的純炭的第三種獨立形態(tài)，在物理、化學(xué)、材料和生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

碳材料有十分悠久的歷史。在幾千年前，第一代碳材料--木炭就投入了生產(chǎn)和應(yīng)用。十九世紀，第二代碳材料—人造石墨與炭黑誕生。第二次世界大戰(zhàn)后，第三代碳材料—金剛石、碳纖維、活性炭等，推動了航空航天、機械等工業(yè)的發(fā)展。在此詳細介紹的是第四代碳材料—新型碳材料。

富勒烯（Fullerene）

富勒烯（Fullerene)，又稱足球烯，是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。

有趣的是，富勒烯除了在材料學(xué)、電子學(xué)，納米技術(shù)方面有巨大潛力之外，富勒烯對自由基的高度親和性質(zhì)也讓護膚品行業(yè)蠢蠢欲動起來。自由基會導(dǎo)致衰老，“自由基殺手”富勒烯在美容業(yè)自然大放異彩。首先將富勒烯應(yīng)用到產(chǎn)品中的是日本的護膚品廠商，之后便在亞洲掀起一陣富勒烯風(fēng)潮。但就富勒烯被應(yīng)用于護膚品的安全問題，因發(fā)現(xiàn)富勒烯獲諾獎的羅伯特·苛爾（Robert Curl）就曾回應(yīng)：“我選擇采取保守的態(tài)度，在無法切實判斷其優(yōu)缺點之前，應(yīng)避免使用這類護膚品?！彪m然材料新穎，但對于是否有實際效果還需保持理智。

碳納米管（CNT）

碳納米管(carbon nanotubes)是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。其主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約0.34納米，直徑一般為2—20納米。

2013年，斯坦福大學(xué)科學(xué)家制備了由平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小“計算機”。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸又一次次被突破，勢在超越并最終取代目前商用的硅基器件。

碳納米管還可以制成透明導(dǎo)電的薄膜，用作觸摸屏的替代材料。碳納米管觸摸屏具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴裝置、智能家具等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細現(xiàn)象的最細毛細管，給化學(xué)家提供了進行納米化學(xué)反應(yīng)的最細試管，科學(xué)家甚至研制出能稱量單個原子的“納米秤”?？茖W(xué)家在進行碳納米管實驗時，突發(fā)奇想，將一個直徑為1/3微米的微粒放在納米碳管的頂端，繼續(xù)用電流沖擊。由于重量發(fā)生了變化，納米碳管的擺動頻率隨之出現(xiàn)變化?？茖W(xué)家將這種擺動頻率和原來的進行比較，從而測算出微粒的重量?？茖W(xué)家就將這種細微的裝置形象地稱為“秤”。納米秤的問世，為科學(xué)家們探索微觀世界提供了新的實驗手段，應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣泛。如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以稱出不同病毒的重量，幫助區(qū)分病毒的種類，進而發(fā)現(xiàn)未知病毒。

石墨烯（Graphene）

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。

實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。石墨烯的發(fā)現(xiàn)十分有趣?？茖W(xué)家蓋姆采用了一種非?！巴痢钡姆椒?。他用透明膠帶在石墨上粘一下就會有石墨層被粘在膠帶上，把膠帶對折后粘一下再拉開，兩端就都沾有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)多次，終于薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨烯就制成了。

石墨烯的超高強度大家所熟知的。近年來，石墨烯在超導(dǎo)領(lǐng)域也有重要發(fā)現(xiàn)。將石墨烯雙層堆疊并扭曲，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。這項研究成果，為超導(dǎo)研究帶來了新思路，也為全新電學(xué)性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺。

本期問題：

1：什么材料可以用作觸摸屏的替代材料？什么材料在超導(dǎo)領(lǐng)域具有重要研究意義？

答案：碳納米管、石墨烯

2：你還了解什么碳材料嗎？

精選留言1：

碳氣凝膠：是一種新型輕質(zhì)納米多孔無定形炭素材料，它是一種新型的氣凝膠，具有比表面積高、質(zhì)量密度低、密度變化范圍廣、納米級連續(xù)孔隙(孔隙率高，空隙尺寸小)、納米級骨架碳微粒以及非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)等特性，其連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在納米尺度控制和剪裁，導(dǎo)電性好(是唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠，可用于超級電容器的電板材料)，具有生物機體相容性(可用于制造人造生物組織、人造器官及器官組件、醫(yī)用診斷劑及胃腸外給藥體系的藥物載體)，在力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值。

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參考資料：

材料科學(xué)與工程微信公眾號

SME科技故事微信公眾號

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本文作者：譚雨涵

時任審閱：于世龍? 劉孟茜

時任編輯：許心雨

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