更小更轻，更快更强！

--“碳的同素异晶体”浅谈（二）

Wisewind

除了金刚石和石墨这两种碳在自然界存在的最著名的“同素异晶体”以外，20世纪末，人类发现了令人振奋的“碳的新同素异晶体”！

碳的新同素异晶体包括只有一个原子厚度的单层石墨，称为石墨烯；以及各种形式的富勒烯。富勒烯是碳原子构成的各种大分子，包括空心球，椭圆球及碳管。这些材料全都具有神奇的性能--它们的导电性比铜好，强度比钢高，而比重比铝小。

石墨烯

石墨烯是石墨的一个片层，它是一个完美的平面，厚度只有一个碳原子大小。在这个平面上碳原子排列成六方晶格(图1),相邻两个碳原子核心距离为0.14纳米。

   图1  石墨的片层结构，每个片层中碳原子按六方点阵排列，一个片层称为石墨烯。

由于每个碳原子的四个外层电子中三个被共价键固定，剩下的一个成为自由电子，因此石墨烯在其平面所在的二维方向具有导电性。

石墨烯是人类迄今所知的强度最高的材料，其抗拉强度达到钢的200倍以上。

富勒烯

一个富勒烯就是碳原子构成的空心球，椭圆球，或碳管。

最普通的富勒烯是碳60（C60）又称为巴基球，它由60个碳原子排列成正六边形和正五边形而构成，看上去简直就是一个“分子足球”(图2)。碳60最初是在太空中发现的，最近也在煤烟中发现。

   图2  碳60（C60,巴基球），以及球面上碳原子的点阵结构。

富勒烯不仅有C60，它还有许多大得多的版本如C70, C84甚至C540！

人们发现富勒烯分子球状或笼状结构具有向外开放的面，而内部却是空的，这就有可能将其他物质引入到该球体内部，这样可以显著地改变富勒烯分子的物理和化学性质。

例如将某些药物置入C60球体空腔内，成为缓释型的药物，进入人体的各个部位。C60為人类战胜愛滋病帶來一線曙光，C60的足球狀化學結構的鍵結，能快速地與HIV病毒結合，減低毒素與阻止HIV病毒擴散，這將促进生技醫藥公司開發新的碳六十藥物。化学家已经尝试着往这些中空的物质中加进各种各样的金属，使之具有超导性，科学家预言C540有可能实现室温超导。富勒烯在单分子纳米电子器件等方面有着广泛的应用前景

碳纳米管

碳纳米管是富勒烯的管状形式，也可以看成是由一片石墨烯卷成的无缝管(图3)。

   图3  单壁碳纳米管及其碳原子六方点阵结构。

单个的碳纳米管是人类迄今所知的强度和刚度最高的材料之一。

碳纳米管只有一维导电性，因而称为分子导线。

 实际制造出来的碳纳米管一般由幾個到幾十個單壁碳纳米管同軸構成，直徑為零點幾纳米至幾十纳米，長度可达数毫米(图4)。

不论是单层还是多层碳纳米管，前后末端都是类似半球形，结构基本上与半个C60相似，使整个碳管成为一个封闭结构。故纳米碳管也是碳的同素异晶体家族的成员之一。

   图4  实验室中制造出来的碳纳米管束。

纳米碳管比重只有钢的三分之一，而抗拉强度可以达到钢的100倍以上，导电能力是铜的1000倍以上，且兼具金屬的性質與半導體的性質，故應用範围極廣。

利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料和复合材料，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6，被科学家称为未来的“超级纤维”；

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁；

用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，可以得到导电性能非常好的纳米尺度的导线；

利用碳纳米管做为锂离子电池的正极和负极材料可以延长电池寿命，改善电池的充放电性能；

利用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等，使壁挂电视成为可能；

在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命，20-30年后可望研制成功运算速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机；

碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢元素，利用这种方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一种清洁能源，在汽车工业领域将有广阔的发展前景……。

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(瑞典皇家科学院当地时间2010年10月5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。)