（原）材料视角 | 你了解碳吗？

初原载于 工大材料汇    2019-10-31

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BLACK 

CARBON

你了解碳吗？

——简析新型碳材料

煤炭不仅是经济发展的能源基础，也是开发新型材料的重要原料。以煤碳为原料可以制得各种很有用的碳材料。从煤碳到石墨、金刚石、活性炭等材料。以及20世纪80年代以后陆续发现以C60，炭纳米管、富勒烯等。具有纳米结构的炭材料，是继石墨、金刚石之后发现的纯炭的第三种独立形态，在物理、化学、材料和生命科学等众多领域有着巨大的应用前景。

碳材料有十分悠久的历史。在几千年前，第一代碳材料--木炭就投入了生产和应用。十九世纪，第二代碳材料—人造石墨与炭黑诞生。第二次世界大战后，第三代碳材料—金刚石、碳纤维、活性炭等，推动了航空航天、机械等工业的发展。在此详细介绍的是第四代碳材料—新型碳材料。

富勒烯（Fullerene）

富勒烯（Fullerene)，又称足球烯，是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。

有趣的是，富勒烯除了在材料学、电子学，纳米技术方面有巨大潜力之外，富勒烯对自由基的高度亲和性质也让护肤品行业蠢蠢欲动起来。自由基会导致衰老，“自由基杀手”富勒烯在美容业自然大放异彩。首先将富勒烯应用到产品中的是日本的护肤品厂商，之后便在亚洲掀起一阵富勒烯风潮。但就富勒烯被应用于护肤品的安全问题，因发现富勒烯获诺奖的罗伯特·苛尔（Robert Curl）就曾回应：“我选择采取保守的态度，在无法切实判断其优缺点之前，应避免使用这类护肤品。”虽然材料新颖，但对于是否有实际效果还需保持理智。

碳纳米管（CNT）

碳纳米管(carbon nanotubes)是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。

2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。

碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。科学家在进行碳纳米管实验时，突发奇想，将一个直径为1/3微米的微粒放在纳米碳管的顶端，继续用电流冲击。由于重量发生了变化，纳米碳管的摆动频率随之出现变化。科学家将这种摆动频率和原来的进行比较，从而测算出微粒的重量。科学家就将这种细微的装置形象地称为“秤”。纳米秤的问世，为科学家们探索微观世界提供了新的实验手段，应用范围也相当广泛。如在医学领域可以称出不同病毒的重量，帮助区分病毒的种类，进而发现未知病毒。

石墨烯（Graphene）

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯的发现十分有趣。科学家盖姆采用了一种非常“土”的方法。他用透明胶带在石墨上粘一下就会有石墨层被粘在胶带上，把胶带对折后粘一下再拉开，两端就都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，终于薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨烯就制成了。

石墨烯的超高强度大家所熟知的。近年来，石墨烯在超导领域也有重要发现。将石墨烯双层堆叠并扭曲，当旋转角度小到魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。这项研究成果，为超导研究带来了新思路，也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台。

本期问题：

1：什么材料可以用作触摸屏的替代材料？什么材料在超导领域具有重要研究意义？

答案：碳纳米管、石墨烯

2：你还了解什么碳材料吗？

精选留言1：

碳气凝胶：是一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料，它是一种新型的气凝胶，具有比表面积高、质量密度低、密度变化范围广、纳米级连续孔隙(孔隙率高，空隙尺寸小)、纳米级骨架碳微粒以及非晶态的结构等特性，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁，导电性好(是唯一具有导电性的气凝胶，可用于超级电容器的电板材料)，具有生物机体相容性(可用于制造人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体)，在力学、声学、电学、热学以及光学等领域具有广阔的应用价值。

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本文作者：谭雨涵

时任审阅：于世龙  刘孟茜

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