碳纳米结构

引发一次又一次研究热潮


两百多年前,科学家就知道碳元素存在两种截然不同的形态:坚硬透明的金刚石和柔软的黑色石墨。在20世纪初,科学家通过X射线衍射实验第一次确定了碳原子在金刚石和石墨中的排列方式,从微观结构上为金刚石和石墨的差异性提供了解释。而1985年C60和其它富勒烯(如C70)的发现,揭开了科学家对新型碳纳米材料研究的序幕。此后碳纳米管的发现(1992年)和单层石墨烯的成功分离(2004年),都引发了科学家的高度兴趣。

富勒烯、碳纳米管和石墨烯都具有非常特殊的性质。比如C60分子可以吸收大部分太阳光谱,又因其具有半导体性质,可以应用于廉价的有机太阳能电池。碳纳米管根据其微观结构的不同可具有半导体或金属导电性;而且碳纳米管具有突出的力学性能,是强度最大的一维材料之一。石墨烯是近十年来的明星纳米材料,它是具有极高的强度和导电性,而且几乎透明的世界最薄二维材料。

碳纳米材料在许多领域已经得到了应用。除了C60在有机太阳能电池中的应用,可以在聚合物和金属材料中添加碳纳米管以提高材料的力学性能。但是围绕碳纳米材料似乎一直存在着一些过高的期望。在碳纳米管发现后,许多研究者和科技公司预测碳纳米将很快取代单晶硅,成为下一代电子器件的核心材料。但是经过30多年的研究,这一目标仍未实现。其主要原因是在微观尺度集成大量碳纳米管器件的难度巨大。石墨烯出现后,很快被媒体定为一种可以改变世界的神奇材料。科学家预测石墨烯将为我们带来更高速的计算机处理器,柔软而透明的显示器,高容量电池等等。但目前对石墨烯的大规模应用仍未出现。也许对石墨烯和其它碳纳米材料做定论还为时过早,毕竟从硅的发现到硅晶体管的大规模应用经历了100多年。碳纳米材料能否真的改变世界我们还要拭目以待。

上图:C60分子。


左:碳洋葱解剖图(C60@C240@C540@C960),右:C960。 注释:所有数字应为下角标。

左:碳洋葱解剖图(C60@C240@C540@C960),右:C960。
注释:所有数字应为下角标。

富勒烯。1985年,柯尔、克罗托和斯莫利等人在用激光蒸发石墨的试验中,首次发现了C60分子。因为C60分子与建筑师富勒设计的球形屋顶具有类似结构,他们将C60分子命名为富勒烯。1990年后出现了大批量合成C60的方法,引发了科学家对富勒烯研究的热潮。C60的直径约1纳米,是纳米科学领域非常有代表性的纳米材料。上面三位科学家在1996年因发现富勒烯而获得诺贝尔化学奖。C60是富勒烯家族中最小的一个。1992年,乌加特发现了巨型富勒烯可以形成的类似洋葱的多层结构。上图显示的是一个小型“碳洋葱”模型:其中心是C60,外层依次是C240、C540和C960。【绘图依据: Wang B.-C. et al. Synthetic Met. 55-57, 2949 (1993)】


左列:锯齿形碳纳米管(16,0),手性碳纳米管(12,4),扶手椅型碳纳米管(8,8)。

左列:锯齿形碳纳米管(16,0),手性碳纳米管(12,4),扶手椅型碳纳米管(8,8)。

碳纳米管和石墨烯。C60仅仅是科学家对碳纳米材料研究热潮的开始。1992年由饭岛澄男报道的碳纳米管,以及2004年由海姆和诺沃肖洛夫等人用简易机械方法制备的单层石墨烯都在当时引起了科学家对碳纳米材料的极大兴趣。因为碳纳米管和石墨烯拥有很多其它材料无可比拟的性质,比如碳纳米管是世界上强度最高的一维材料之一,而石墨烯是世界上最薄的柔性透明导电材料,科学家对它们的研究热情至今未减。2010年海姆和诺沃肖洛夫因为在石墨烯方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。结构上碳纳米管和石墨烯纳米带之间有着简单的几何关系。同一条石墨烯纳米带经过不同方式的卷曲,可以得到结构不同的纳米管,如右页所示。【绘图依据: White C. T. et al. Phys. Rev. B 47, 5485 (1993)】


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