與碳家族親密接觸

昌盛

碳原子的世界是神奇的，它既可構(gòu)成最軟的礦物質(zhì)石墨，又能構(gòu)成自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)金剛石。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，科學(xué)家對(duì)獲得碳的新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚興趣，基于這些結(jié)構(gòu)，人們合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關(guān)產(chǎn)品，進(jìn)一步推動(dòng)了社會(huì)的快速發(fā)展。

T-碳

前不久，我國(guó)科學(xué)家在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學(xué)物理學(xué)院蘇剛教授等人通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言的一種三維碳結(jié)構(gòu)T-碳誕生，中外科學(xué)家聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功合成了T-碳，從而使其成為可與石墨、金剛石比肩的碳的另外一種三維新結(jié)構(gòu)。

T-碳是一種蓬松的碳材料，內(nèi)部有很大的可利用空間，如果用作儲(chǔ)能材料，儲(chǔ)氫能力重量百分比將不低于7.7%。它在光催化、吸附、儲(chǔ)能、航空航天材料等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。

T-碳還有一個(gè)特點(diǎn)，其密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的1/2。進(jìn)一步的研究表明，T-碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽(yáng)系外的行星中被觀測(cè)到。

2011年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院的蘇剛教授指導(dǎo)博士生勝獻(xiàn)雷等通過(guò)大量對(duì)比研究后提出，如果將立方金剛石中的每個(gè)碳原子用一個(gè)由四個(gè)碳原子組成的正四面體結(jié)構(gòu)單元取代，將會(huì)形成碳的一種新型三維立方晶體結(jié)構(gòu)。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在幾何、能量以及動(dòng)力學(xué)方面都極其穩(wěn)定，并把這種碳的新型同素異形體命名為T(mén)-碳。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家如此評(píng)價(jià)蘇剛教授等人的發(fā)現(xiàn)：“T-碳開(kāi)啟了碳結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，將激發(fā)其他科學(xué)家進(jìn)行廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究。”

石墨烯

石墨烯有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，自從被成功制造出來(lái)后就被科技界看好，被認(rèn)為是一種顛覆性的全新材料。因其優(yōu)異的特性，許多人認(rèn)為21世紀(jì)將成為“石墨烯時(shí)代”。

2004年，曼徹斯特大學(xué)兩位研究員Andre Geim和Kostya Novoselov從石墨中分離出了石墨烯，這項(xiàng)成果使他們?cè)?010年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，只有一個(gè)碳原子的厚度。鉛筆芯中的石墨相當(dāng)于無(wú)數(shù)層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是卷成了筒狀的石墨烯。

石墨烯是迄今為止自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，具有透明、導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好等特征，還能抵抗高壓。

有了石墨烯，人類(lèi)就可以開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)能電池或幾分鐘即可充滿電的手機(jī)電池。此外，石墨烯在檢測(cè)食品毒素、特定病毒和細(xì)菌等方面也擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類(lèi)似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上，可產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)信號(hào)，以便高敏感傳感器檢測(cè)到毒素，其檢測(cè)能力相當(dāng)于普通傳感器的10倍。

目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)被納入國(guó)家戰(zhàn)略布局。《中國(guó)制造2025》選擇十大優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破，在首個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領(lǐng)域之一。

富勒烯

如果你對(duì)未來(lái)充滿野心，可以考慮一下投身內(nèi)嵌富勒烯產(chǎn)業(yè)。內(nèi)嵌富勒烯是目前世界上最昂貴的材料之一。

在英國(guó)牛津大學(xué)的一個(gè)新型碳材料研究實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家正在研制內(nèi)嵌富勒烯。不久前，他們剛剛將這種材料的第一份樣品以3.2萬(wàn)美元的價(jià)格售出。這份樣品的質(zhì)量只有200微克，相當(dāng)于一片雪花質(zhì)量的1/15或一根頭發(fā)質(zhì)量的1/3。

富勒烯于1985年首次被發(fā)現(xiàn)，是一種球形的碳納米結(jié)構(gòu)，由60個(gè)碳原子組成一個(gè)緊湊的富勒烯籠，里面包含非金屬單質(zhì)的原子或簡(jiǎn)單分子，如氮、磷和氦等。這些物質(zhì)不僅昂貴，而且當(dāng)內(nèi)嵌氮原子時(shí)，它們還具有改變計(jì)時(shí)方式的潛力，因?yàn)樗鼈兊碾娮幼孕龎勖浅ｉL(zhǎng)。

目前，科學(xué)家正在研究將內(nèi)嵌富勒烯用于原子鐘的可能性。原子鐘是世界上最守時(shí)的系統(tǒng)。牛津大學(xué)的科學(xué)家希望未來(lái)可以利用內(nèi)嵌富勒烯制作出各種更加準(zhǔn)時(shí)的設(shè)備。內(nèi)嵌富勒烯有望大大縮小原子鐘的體積——從櫥柜般大小縮小到如同芯片——因此可以安裝到手機(jī)中或與全球定位系統(tǒng)設(shè)備整合在一起。

如果能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，就能將GPS的精度提高到1毫米以?xún)?nèi)。這聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)令人震撼，因?yàn)槟壳癎PS的精度只有1米到5米。endprint