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1神奇的碳材料、摘要：碳元素作为地球上丰富的元素之一，其性质多样，应用广泛。对碳材料的研究有着深远的意义与价值。近年来，碳材料的研究相当活跃，出现了多种多样的新型碳材料。其中包括石墨烯、富勒烯等，这些新型的碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。关键词：石墨烯、富勒烯、碳纳米管、应用石墨烯【1】在2004年，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。而后制得是摩西的方法多种多样。石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨石墨烯特性（1）比钻石还要坚硬科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍2石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。（2）在室温下传递电子的速度比已知导体都快。其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。总结一下特性：石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯应用前景一、晶体管、触摸屏、基因测序石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤。用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。二、代替硅生产超级计算机3科学家发现，石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。三、光子传感器石墨烯可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。IBM的一个研究小组披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。富勒烯【2】富勒烯于1985年发现的继金刚石、石墨和线性碳(carbyne)之后碳元素的第四种晶体形态。其中柱状或管状的分子又叫做碳纳米管或巴基管。碳60(C60)和碳70(C70)是最常见的，也是能够量产的富勒烯,富勒烯的成员还有C28、C32、C240、C540。C78、C82、C84、C90、C96等也有管状等其他形状。富勒烯（Fullerene)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。富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几种，如C60和C70等。在若干可能的富勒烯结构中C60，C240，C540和直径比为1:2:3。C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，4所以，富勒烯也被称为足球烯。由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相联接只与六边形相邻。与石墨相似，C60中每个碳原子与周围三个碳原子形成三个σ键，C-C-C夹角为116°，三个σ键角总和为348°，而不是平面三角形的360°，故为球面，由杂化轨道理论计算：C原子是采取sp2.28杂化，用三个杂化轨道形成σ键，每个C原子剩下的一个轨道（s0.09P0.90）与球面成101.6°，形成离域Π键，故具有芳香性。富勒烯特性1、C60分子具有芳香性，溶于苯呈酱红色；有润滑性，可能成为超级润滑剂。金属掺杂的C60有超导性，是有发展前途的超导材料。2、硬度比钻石还硬3、轫度(延展性)比钢强100倍4、导电性比铜强，重量只有铜的六分之一5、易取材，富勒烯成分是碳，所以可从废弃物中提炼富勒烯应用一、C60的应用1、润滑剂和研磨剂C60具有特殊的圆球形状，是所有分子中最圆的分子；另外，C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上，单个C60分子是异常坚硬的，这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。C60分子一出世，就有人提议用它来做“分子滚珠”，制成润滑剂。将C60完全氟化得到的C60F60是一种超级耐高温材料，这种白色粉末状物质是比C60更好的优良润滑剂，可广泛应用于高技术领域。另外，C60分子的特殊形状和极强的抵抗外界压力的能力使其有希望转化成为一类新的超高硬度的研磨材料。2、富勒烯电化学C60具有完美对称的足球结构，反应在其电子能级上具有较高的简并度.理论计算表明，C60分子的电子能级简并度最高可达五重。C60的最低未占据分子轨道（LUMO）是三重简并的tlu态，使得C60具有很高的电负性，它能够接受电子而形成带负电子的阴离子。高度结构对称性与分子轨道简并度结合起来，使得C60分子具有非常丰富的氧化还原性质。53、非线性光学器件实验和理论研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非线性光学材料，C60/C70混合物（C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9esu，C76甚至还具有光偏振性。富勒烯分子中不存在对非线性光学性能有干扰作用的碳—氢键和碳—氧键，与其他非线性光学材料相比，性能更加优越4、超导性掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果，这种超导体具有相对较高的临界温度，掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体，而且也大大高于以前发现的金属和合金超导体，只比现在炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。富勒烯超导体最大的优点在于这种化合物容易加工成所需要的各种形状；同时由于它们是三维分子超导体，各向同性，使得电流可以在各个方向均等地流动。同时，富勒烯化合物超导体还具有较高的临界磁场和临界电流密度，理论分析和一些实验结果显示，在更大的富勒烯分子掺杂化合物中可能大幅度提高超导临界温度。良好的性质和潜在的高临界温度为富勒烯超导体的应用创造了条件。二、碳纳米管的应用【3】1、力学碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。也可用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。2、隐身材料碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用:纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反射率;纳米微粒材料的6比表面积比常规粗粉大3～4个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多。所以红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，很难发现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收,不产生反射,因此而达到隐形效果。3、能源（1）储氢材料碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢5-10wt%。根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。（2）锂离子电池锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源，因此要求材料具有高的可逆容量。碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离子和碳纳米管有强的相互作用。用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高达1600mAh/g，可逆容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。4、纳米器件碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，可制成碳纳米导线。半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。7IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更为强大的性能，具有里程碑式的重大意义。5、电子器件（1）场致发射纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料!有望在冷发射电子枪、平板显示器等众多领域中获得应用。日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图像分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。（2）新型的电子探针碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料。其具有以下优点：①不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被观察物体进行软接触。②灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以进入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好的重现性。用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分子结构的观察和表征中的应用。6、传感器碳纳米管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可将碳纳米管做成气敏元件对气体实施探测报警。8在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。7、催化由于碳纳米管具有纳米级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子，研究发现其在600℃的催化活性优于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。碳纳米管与金属离子之间的相互作用，使金属离子能在常温下自动趋于还原态，这对金属纳米导线的制备无疑