见证了碳的三种同素异形体的发现和快速发展

见证了碳的三种同素异形体的发现和快速发展
发表时间: 2019-02-16
  从富勒烯、碳纳米管到石墨烯,过去30年见证了碳的三种同素异形体的发现和快速发展。石墨烯作为理想的二维碳纳米结构,表现出很多奇特的物理化学性质。物理学家和化学家对待石墨烯不同的研究视角以及石墨烯对于物理学家和化学家的不同意义在于:前者的任务是发现极限结构的奇特性质,而后者主要着跟于基于石墨烯的碳纳米结构可控构建和有效调控。
 
  碳元素由于其独特的sp、sp2、sp3三种杂化形式,构筑了丰富多彩的碳质材料世界。近年来,从零维的富勒烯、一维的碳纳米管到二维的石墨烯,碳的同素异形体不断被丰富;这三种材料的发现者也分别被授予1996年Nobel化学奖、2008年Kavli纳米科学奖、2010年的Nobel物理奖…。纵观这三种材料的发现过程所体现的三种不同的曲折性,恰恰折射出科学研究的魅力。
 
  富勒烯的发现体现了“意外之美”—虽然科学家曾预测了这样的球形碳结构、也有很多科学家与这个意外发现擦肩而过,但应该不会有人想到几位科学家在模拟星际尘埃的实验中可以“意外”收获堪称“完美对称”的球形分子叫C60。;
 
  究竟是谁首先发现了碳纳米管至今都有着很多争议,但不能否认在NEC公司的电镜下,科学家首次揭示了一维管状碳的魅力和科学意义—“失落之美,这或许是对其发现过程中作出贡献的科学家们的最好慰籍;
 
  从20世纪50年代开始的氧化石墨的规模制备,到2004年Geim等将石墨烯从高定向石墨上的成功剥离”,可以用“追寻之美”来为石墨烯的发现研究历程做一个注脚。
 
  其实从石墨的层状结构被确定以后,科学家们就一直被一种情结所纠结:理论研究表明,自由状态的二维碳晶体热力学不稳定,不可能存在;但科学家们却一直在尝试获得稳定的单层石墨片,进行着“追梦之旅”。近30年来,零维的单层富勒烯和一维的单壁碳纳米管相继被发现,让科学家们看到制备单层石墨烯片的一丝曙光。1988年,日本东北大学京谷隆教授等采用模板技术、以丙烯腈为碳源,在层状材料蒙脱土的层间得到了结构完整的单层石墨烯片,不过这种石果烯片在脱除模板后不能单独存在,很快会形成高度取向的体相石墨。
 
  直至2004年,“梦想照进现实”—Geim教授课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯,并将其悬挂于微型金架上,这一结果震惊了科学界,从而推翻了“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的这一论断。换言之,自由态的石墨烯在室温下可以稳定存在;而在相同条件下,其他任何己知材料都会被氧化或分解,甚至在相当于其单层厚度10倍时就变得不稳定。
 

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