【化院·科普】“网红”碳材料,到底蕴含着怎样的奥秘?

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在这个基础上，许多层这样的碳原子有规律地交错排列，就形成了石墨的结构。

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在石墨层中，每个碳原子会形成三个单键，另外还会拿出剩余的一个电子与其它碳原子的剩余电子共同组成一个弥散在整个碳原子层的电子云，即所谓的离域π键。而也因为此，石墨层内电子可以相对自由地移动，从而使石墨在特定方向上具有了导电性。由于碳原子间共价键的强度很高，石墨具有很高的熔点和稳定性，同时由于层间作用力弱，石墨又具有润滑剂的性质。

因为碳原子组成结构的特性如此优良，为什么不能尝试用碳制备一些新的材料呢？人们有了这一想法，便开始脑洞大开：把石墨弯一弯折一折，会怎么样呢？

事实上，前述的三种新型碳材料就可以看成是石墨的结构进行转化得到。从石墨中抽出一层碳原子，就是石墨烯，而将石墨烯弯曲成一个封闭的球，就是富勒烯，将石墨烯卷曲成一个两头开口的卷，就是碳纳米管。

当然，这只是一种简单的说法，实际上这些材料的制备困难重重，在科学家们多年的研究攻克下才有了今天的进展。那么这些材料的性质和研究进展到底如何呢？

图 石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯的结构转化

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• 富勒烯Fullerene

富勒烯是碳的一种同素异形体，其分子中碳原子通过单双键相互连接，形成开放或半开放的网格。因为这类分子和建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品十分相似，为了纪念他，这类分子就被命名为buckminsterfullerene，简称巴基球或富勒烯。

图 建筑学家富勒和他的作品及C60分子结构

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又因为其中最有名的C₆₀分子和足球的结构非常相似，其也被人们称为足球烯。

有着这样神奇结构的富勒烯同样具有优良的特性：硬度高、延展性强、导电性强等等。1996年，富勒烯获得了诺贝尔化学奖，是一种前景广阔的热门材料。另外，由于强抗氧化能力（是维生素C的125倍之多）和清除自由基的功能，富勒烯可以起到修复和保护细胞的功能，因此在化妆品领域也有着广泛的应用。

• 石墨烯Graphene

石墨烯也是碳的一种同素异形体，其中单层碳原子排列成二维蜂窝状晶格。1962年Hanns-Peter Boehm研究了薄层石墨，并为假想的单层石墨提出了graphene的名字。2004年，Andre Geim和 Konstantin Novoselov通过胶带剥离的方法分离得到了少量石墨烯并进行表征。如果说富勒烯是石墨抽出一层后弯曲成球，那石墨烯就是简单的一层石墨。

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那么为何如此“单薄”的一层原子可以具有广为宣传的高强度、高韧性等性质？这样的一层石墨又能有什么作用呢？

这是由于石墨烯层内均由很强的共价键连接，使其成为了目前已知强度最高的材料之一；又因为只有单层原子，所以它还可以弯曲，有着很好的韧性。同时，它继承甚至超越了石墨的导电性，甚至比现有的硅材料强10倍。石墨烯的导热性和光学性能也都十分良好，同时还有丰富的化学反应性，可以进行各种修饰。比如用氧化性的酸或在空气中处理它，这样的石墨烯可以通过控制条件获得不同的特性。

图 氧化石墨烯示意

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由于石墨烯具有很好的导电性，其可用于各种电子器件的制作。不仅如此，单层的特点带给了它高度透明的特性，再加上高韧性和高化学稳定性，让石墨烯在触摸屏、手写板等显示器领域的潜在应用价值变得极高。另外，因为高比表面积和导电率，石墨烯还可以用在电池的导电电极上；由于很好的生物相容性和改造后的药物吸附性，可用作医学材料等。甚至十分“接地气”的，可以用作无毒、高效且稳定的染发剂。

• 碳纳米管Carbon Nanotubes

碳纳米管是由碳原子构成的，直径通常在纳米尺度内的一维量子材料，1991年由日本电子公司的饭岛澄男发现。碳纳米管具有超乎寻常的力学、电学和化学性能，具有广阔的应用前景。

如果把碳纳米管看作石墨烯卷曲而成，则根据层数的不同，可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。其中单壁碳纳米管直径分布窄，缺陷少，有着更高的均匀一直性。

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同样地，由于基本结构和组成类似，碳纳米管也拥有着极高的强度和韧性。但与前两种碳材料不同，由于特殊的管状结构，其导热性具有明显的各向异性，即在长度方向导热性很好，但垂直长度方向热交换性能较低。而其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当管径大于6 nm时，导电性能下降；小于6 nm时，其导电性很强，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。所以碳纳米管同时具有超导体和半导体的潜质，很适合用作芯片的原材料。我们知道，一个手机的芯片中就集成了成百万上千万的晶体管，计算机芯片更是集成了上亿的晶体管。计算机越来越强大的原因正是芯片越来越小型化、集成度越来越高。但是总有一天，基于硅基集成电路的微电子技术将趋近于发展的极限，国际公认的是碳纳米材料是最有可能的替代硅的器件材料。

• 结束语

碳元素除了作为构成有机生命体最重要的元素之外，以其为基础的丰富多样的碳材料在生产生活的各个领域更是大放异彩。在碳材料的蓬勃发展背后，我们可以看到众多科学工作者为之付出的心血和智慧。我们在为他们加油鼓劲的同时，也不能忘记积累知识，这样才能学会识破谣言和不法商家的虚假宣传哦~

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参考文献

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[2]《物理化学学报》编辑部, 专访中国石墨烯领军人物：刘忠范院士及他的团队[J]. 物理化学学报, 2019, 35 (8), 787-791.

[3] 许哲,李慧,黄勇,陆辉强,党婧,孙泽川,王春儒.高安全性富勒烯化妆品原料及其美白、抗炎、修复功效[J].精细化工,2021,38(09):1881-1887.

[4] 李群慧,匡春香.富勒烯在化妆品中的应用[J].精细与专用化学品,2008(13):18-20+2.

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