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碳氏家族起底:本是同根生 奈何“性格”迥异?

同一种元素碳,竟然可以演变出这么多五花八门、性质各异的材料出来,这不得不又回到初学材料时的那句话:结构决定性能。

碳氏家族起底:本是同根生 奈何“性格”迥异?

提起元素碳,估计咱们学材料的都不会陌生:看看铁碳相图,通常我们靠含碳量的高低来调节铁碳合金材料的强度与韧性;在有机高分子领域,碳作为标志性元素则构成了整个生物圈的骨架。从上个世纪中期,富勒烯、碳纳米管、石墨烯等许多炭的材料相继进入人们的视野,这些炭材料组成的明星光环威力实在强大,不只材料界甚至商界投资界都流传着这么一句听起来牛气哄哄的话——“21世纪是碳的时代”。撇开这句话不说,今天我们一起来盘点下C的几个明星产品——石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯。

应该说,石墨和金刚石算是我们人类最早接触的两种炭材料,两者从外观到性质差别实在太大,完全让人看不出它们是“孪生兄弟”。石墨质地软脆,导电优异;而金刚石坚硬耐磨,几乎完全不导电。近代科学家告诉我们,其实金刚石和石墨化学成分完全相同,只是晶体结构不同。石墨晶体呈片状,同一层的碳原子以共价键连接,层间则是微弱的范德华力,结构内含有自由电子;而金刚石中碳原子按四面体形式以共价键紧密相连,组成无限的三维骨架,无自由电子,是典型的原子晶体,结构致密,是石墨的1.5倍。正是结构中碳原子的排列方式不同,使得两者具有不同的物理性质与用途。

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很多人可能想当然的以为,金刚石是原子晶体,石墨为混合晶体(单层原子晶体,层间是分子晶体)前者熔点肯定高于后者,其实不然。由于石墨结构中共价键键长稍短于金刚石,键能较大,从而石墨的熔点稍高于金刚石。随之科技发展,如今金刚石与石墨也可在一定条件下实现转化。

到了1985年,《Nature》以封面文章的形式报道了一个具有60个原子的碳原子团簇,即C60。它是一种由60个碳原子构成的分子,形似足球,因此又名足球烯。随后科学家们也相继分离或合成出其他类型的足球烯,比如C28、C32、C50、C70、C240等等。

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C60有许多优异性能,如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀,在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。不过,这几年,富勒烯的风头逐渐被其他后来居上的碳族兄弟们所取代。当然,这可能也跟它问世30年来,未曾取得当年追捧时所构想的成绩有关。

紧随其后,1991年,日本电镜专家饭岛澄男发现了一种典型的富勒烯——碳纳米管。这可是一大突破,谁说搞仪器的就不能做材料?这就是一个赤果果的例子。

碳氏家族起底:本是同根生 奈何“性格”迥异?

碳纳米管又名巴基管,是一种管状结构的碳原子簇,直径约几纳米,长约几微米,主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成,层与层之间保持固定的距离。通常终端封闭,也有终端开口或终端未完全封口的。碳纳米管的独特的分子结构导致它有奇特的宏观性质,如高比表面积、高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性和化学惰性。

据理论计算,碳纳米管纤维的强度是钢的100倍,而质量仅为钢的1/7,可谓是理想的轻质高强度材料。碳纳米管还具有极强的储气能力,可用在燃料电池储氢装置上。利用碳纳米管的性质也可以制作出很多性能优异的复合材料。此外在电化学器件、显示器、纳米机械、电极、催化等领域也有不小应用。

时光悄然转向21世纪,碳家族另一个传奇“出生”了。前面我们说过,石墨原子层间是范氏力结合的,所以非常软。那么将石墨剥成一层,会出现什么结果呢?英国两位物理学家就这样尝试了,把石墨一层一层剥离,最终剩下二维的石墨结构,这就是石墨烯。据研究石墨烯的性能极为优异,电阻率极低,导热系数惊人,而且它是世界上最为坚硬的材料。碳的家族永远不乏奇迹,你看,这就是活脱脱一次从最软物质到最硬物质的华丽变身。

碳氏家族起底:本是同根生 奈何“性格”迥异?

过去十年间,作为科学界的热点材料、工业界的新宠,石墨烯就像个自出生起就被宠得无法无天的小孩子。04年被发现,震撼了凝聚态物理界;仅6年后两位科学家获诺奖;之后世界各地几乎各个高校、研究所顷刻间都开始研究石墨烯——从制备到拿它与其他材料进行改性复合,并且不断有声音传来说某某领域获得大突破,有望引发科技革命。除去几分商业炒作的嫌疑,无疑石墨烯也自有它的奇特之处。

科学家们认为石墨烯的潜在应用广泛足以震惊世人:从微型晶体管、超级电容器、快冲电池到防弹衣、燃料电池质子交换膜,还有医药载体工具、轻薄防护层,石墨烯在复合材料、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、生物医药等多个领域具有广阔的发展空间。不过一来石墨烯的大规模制备一直是阻碍其商业化的最大瓶颈,二来能不能真的如愿,而非步它前几位兄弟后足,还有待时日观察。

迄今为止,这场关于石墨烯的战争也才刚刚拉开帷幕。不过喧嚣的时代总是缺少足够理智的声音,热潮的背后需要更多的 “冷思考”。这热捧的同时,社会上有出现了很多石墨烯乱象,例如有的公司混淆石墨烯及其他石墨产品的区别,跟风炒作,随便投一点钱就说公司开展石墨烯业务等等。或许只有在退潮之后,才能看到是谁在裸游吧。

[结语]
同一种元素碳,竟然可以演变出这么多五花八门、性质各异的材料出来,这不得不又回到初学材料时的那句话:结构决定性能。

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