新型碳纳米结构的发现与启示
纳米碳材料的特性及应用
纳米碳材料的特性及应用纳米碳材料是指由碳原子组成的材料，在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和电子性质。
常见的纳米碳材料包括纳米管、纳米颗粒和石墨烯等。
纳米碳材料具有以下特性：1. 巨大的比表面积：纳米碳材料具有极高的比表面积，使其具有优异的吸附性能和催化性能。
比表面积的增大有助于提高材料的活性。
2. 准一维或二维结构：纳米碳材料常常具有准一维或二维结构，例如碳纳米管是一种具有管状结构的材料，石墨烯是一种单层碳原子排列成二维平面结构的材料。
这种结构使纳米碳材料具有特殊的电子和光学性质。
3. 高导电性和高机械强度：纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度。
其中，碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，是一种理想的导电材料。
石墨烯也具有较高的导电性和机械强度，具有广泛的应用前景。
4. 优异的光学特性：纳米碳材料具有优异的光学特性，例如碳纳米管具有独特的吸收和发射光谱特性，可以应用于光电器件和生物标记。
纳米碳材料在许多领域具有广泛的应用，包括以下几个方面：1. 电子学应用：由于纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度，常用于制备导电材料和电子器件。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料可用于制备柔性电子器件、场发射材料和导电粘合剂等。
2. 催化应用：纳米碳材料具有较大的比表面积和良好的催化性能，可用作催化材料。
纳米碳材料在催化剂的设计和开发中起到重要的作用，特别是碳纳米管在应用于催化反应中具有较高的活性和选择性。
3. 吸附材料：纳米碳材料具有巨大的比表面积和优异的吸附性能，可用作吸附剂。
纳米碳材料对有机物质和重金属离子等具有良好吸附能力，可应用于环境污染物的吸附和处理。
4. 生物医学应用：纳米碳材料在生物医学领域具有广泛的应用。
纳米碳材料具有较好的生物相容性和生物活性，可以用于生物传感器、药物传递、组织工程和生物成像等方面。
5. 能源存储和转换：纳米碳材料在能源领域具有重要的应用价值。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料具有较高的电导率，可用于制备电池电极材料、超级电容器和燃料电池等。
碳纳米材料在电池中的应用研究
碳纳米材料在电池中的应用研究引言：随着能源需求的增长和能源消耗的加剧，传统燃料的使用已经不再可持续。
因此，人们对新型能源储存和转换技术的需求变得越来越迫切。
碳纳米材料由于其特殊的结构和优异的性能，在能源领域中得到了广泛关注。
本文将重点讨论碳纳米材料在电池中的应用研究，探讨其潜在的应用前景和挑战。
一、碳纳米材料的特性和制备方法碳纳米材料是由碳原子构成的纳米尺度材料，包括碳纳米管、石墨烯、炭黑等。
它们具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等独特的特性。
碳纳米材料的制备方法繁多，常见的有化学气象法、电弧放电法和化学气相沉积法等。
二、碳纳米材料在锂离子电池中的应用1. 正极材料改性由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可用于改善锂离子电池正极材料的性能。
例如，将碳纳米管添加到锂铁磷酸盐正极材料中，可以提高其电导率和锂离子扩散速度，从而提高电池的放电性能和循环稳定性。
2. 负极材料改性碳纳米材料还可以用于改善锂离子电池负极材料的性能。
石墨烯的应用研究表明，添加石墨烯可以提高负极材料的电导率和锂离子嵌入/脱嵌速率，从而增加电池的储能密度和循环寿命。
三、碳纳米材料在超级电容器中的应用1. 电极材料改性碳纳米材料可以用于改善超级电容器的电极材料。
炭黑是一种常用的电极材料，其高比表面积和导电性使得电容器具有较高的电容量和快速的充放电速度。
此外，碳纳米管和石墨烯等材料的引入也可以进一步提高超级电容器的性能。
2. 电解质改性除了作为电极材料的改性外，碳纳米材料还可以用于改善超级电容器的电解质。
例如，添加碳纳米材料到电解质中可以提高其离子传导能力和界面稳定性，从而提高超级电容器的性能。
四、碳纳米材料在太阳能电池中的应用碳纳米材料也被广泛研究用于太阳能电池中。
由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可以提高太阳能电池的光吸收能力和电荷传输速率。
此外，石墨烯和碳纳米管的应用可以提高太阳能电池的稳定性和寿命。
总结：碳纳米材料在电池中的应用研究显示出了巨大的潜力。
碳纳米管的发现、制备、特性与应用
二、碳纳米管的结构
碳纳米管又称为巴基管，是一种具有特殊结构（径 向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）的一维量子 材料。在纳米材料中，CNTs被称为纳米之王或者超级纳 米材料。 CNTs是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲 而成的无缝、中空纳米管。
纳米碳管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT， MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层 )
在催化裂解法制备碳纳米管的工艺中,常用作催化剂的 金属元素有Fe、Co、Ni等,研究表明,碳纳米管的直径很大 程度上依赖于催化剂颗粒的直径,因此通过催化剂种类与 粒度的选择及工艺条件的控制,则可获得纯度较高,尺寸分 布较均匀的碳纳米管,并且该工艺适于工业大批量生产。
优缺点： CVD法制备SWCNTS尽管可以获得高产率、纯净可控的 SWCNTS，但其应用及商业化生产的最大障碍就是成本高， 前处理工艺复杂，制备条件苛刻，温度通常高达700～ 800℃，催化剂及载体的处理耗时费力。
2.激光蒸发法
激光蒸发法是一种简单有效的制备CNTs的新方 法。与电弧法相比，前者用电弧放电的方式产生高 温，后者则用激光蒸发产生高温。它能产生高质量 的单壁碳纳米管。
左图为激光蒸发法制备单层CNTs的基本原理示意图。 其基本原理： 1.利用激光器聚焦成6-7mm的光束照射至含有金属的 石墨靶上。 2.激光在计算机的控制下，平和定量将碳原子或原子 集团激发出靶的表面，蒸发的烟灰被氩气从炉体中带走， 在载体气体中这些原子或原子集团互相碰撞形成CNTs。 T随后沉积在炉外的水冷铜收集器表面。碳纳米 管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的 形成过程就是游离态的碳原子发生重新排布的过程。
3.热学性能
由于碳管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长 度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各 向异性材料。 即在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方 向的热交换性能较低。适当排列碳纳米管可得到非常高的 各向异性热传导材料。
碳纳米材料在锂电池中的应用研究
碳纳米材料在锂电池中的应用研究一、引言锂电池是目前世界上应用最广泛的可充电电池之一，广泛应用于电动车、手机、笔记本电脑等领域。
然而，锂电池的能量密度、寿命和安全性等方面仍然存在挑战。
碳纳米材料作为一种新型的材料，在锂电池领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将探讨碳纳米材料在锂电池中的应用研究。
二、碳纳米材料的特性碳纳米材料具有很多独特的特性，使其成为锂电池的理想候选材料。
首先，碳纳米材料具有高比表面积和孔隙结构，这可以增加锂离子的储存空间，提高电池的储能能力。
其次，碳纳米材料具有优异的导电性能，可以降低电池内电阻，提高电池的充放电效率。
此外，碳纳米材料还具有良好的化学稳定性和机械稳定性，可以有效延长电池的寿命。
三、碳纳米材料在锂电池正极中的应用1. 碳纳米材料作为锂离子储存材料许多研究表明，碳纳米材料可以作为锂电池正极的储存材料，能够提供更高的比容量和较长的循环寿命。
碳纳米材料的高比表面积和孔隙结构使其能够更好地嵌入和释放锂离子，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。
2. 碳纳米材料与过渡金属氧化物的复合应用将碳纳米材料与过渡金属氧化物进行复合可以进一步提高锂电池的性能。
过渡金属氧化物具有高的理论比容量和反应活性，但存在着体积变化大、结构破坏等问题。
碳纳米材料的引入可以有效缓解这些问题，同时提高电池的循环寿命和安全性。
四、碳纳米材料在锂电池负极中的应用1. 碳纳米材料作为锂离子嵌入负极碳纳米材料可以作为锂电池负极的嵌入材料，能够提供更高的比容量和较长的循环寿命。
碳纳米材料具有高比表面积和孔隙结构，能够更好地吸附和嵌入锂离子，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。
2. 碳纳米材料与硅的复合应用硅是一种具有高比容量的理想锂离子嵌入材料，但存在着严重的体积膨胀和结构破坏问题。
碳纳米材料与硅的复合应用可以有效缓解这些问题，提高电池的循环寿命和安全性。
碳纳米材料通过改善硅的电子传导性能和机械稳定性，同时保持硅的高比容量，为锂电池的发展提供了新的思路。
新型碳材料的发展及应用
新型碳材料的发展及简介Thｅdevelopment tｒendｏf Severａl Ｋｉｎｄs oｆNｅw Carｂｏn Materiaｌs and Ｉｎtrｏduｃtion摘要碳是世界上含量及广的一种元素。
碳材料在人类发展史上起着主导的行的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。
现代对碳材料了的开发及几种新型的碳材料－-碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料。
关键词碳材料碳纳米管碳纤维Ａbstract Caｒbon is an element conteｎt aｎｄworｌｄwide．Ｃaｒｂon mateｒials playｓa dｏminanｔrole ｉn ｔｈｅhistｏry of human ｄevelｏｐmeｎt,ａpｐlｉcａtion ｏｆthｅmost ｏｕtstandｉng ｏne iｓtｈｅseｃonｄｉndustriaｌrevolution．Ｍodern on caｒbｏn maｔerials develｏpｍent anｄｓｅverａl kｉnｄs ｏf neｗcａrｂon maｔerials such aｓＣ120 anｄｃaｒbon nａnoｔｕbｅｓ,ｃarbon fiber ａｎｄcａrbｏn-reｌatｅd fｕnctiｏｎal maｔeｒialｓ．Key worｄs cａｒbon materiaｌｓ，carbｏn ｎanoｔubeｓ,caｒb ｏn fiber1 前言碳是世界上含量及广的一种元素。
它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化）,再加之SP２的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料。
具有各式各样的性质。
在历史的发展中传统的碳材料包括:木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。
而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料:金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳，等。
碳纳米管的发展历程
碳纳米管的发展历程碳纳米管是一种极其重要的纳米材料，于1991年被发现，随着拓扑电子的出现，迅速成为了研究领域的热点，被誉为材料科学的“奥秘之子”。
在经过数十年的工艺改进和研究探索后，碳纳米管已经成为了许多领域的主流材料，是未来技术发展的重要推手。
一、碳纳米管的发现1991年，日本科学家伊吹丰文、田中章等人从石墨在石英管中的蒸发凝结过程中发现了碳纳米管。
经过进一步的分析和研究，他们发现这种管状物质是由单层或多层的石墨层叠组成的，而且长度非常长，直径约在5~10纳米之间，既具有晶体的长程周期性结构，又具有无限循环的曲线上升结构，可以用来解释许多神秘的负传输指数现象，被称为"万能线"。
二、碳纳米管的发展在碳纳米管的发现之后，科学家们开始了对它所具有的神奇特性进行进一步的研究和应用。
在1993年，美国的科学家就提出了一种可以制备出单壁碳纳米管的方法。
这种方法是将石墨和金属处理成溶液形态，然后用气体进行化学反应产生单壁碳纳米管。
1996年，奈米技術成为科技新热点，美国将其列入国家科技革新战略的重要内容之一。
碳纳米管成为国家重点研究的重要领域。
随着碳纳米管在材料科学领域的不断应用，其在药物传输、医疗、能源等领域都得到了广泛的应用。
通过纳米技术可以将药物包裹在碳纳米管里，改变药物在体内的分布和释放特性，增加疗效、降低用药剂量。
三、碳纳米管在未来的发展碳纳米管在未来的发展可以分为三个阶段：第一个阶段是进一步完善其工艺技术，提高其制备和组装技术，以及成品的品质和可靠性；第二个阶段是扩大其应用领域，在材料科学、生物领域等方面得到更广泛的应用；第三个阶段是开展碳纳米管的基础研究，寻求碳纳米管的更深层次的物理、化学和物性等研究。
总之，碳纳米管是朝气蓬勃的科技材料之一，它的应用前景非常广阔，值得科学家们继续探索和开发，并为人类的生活和社会进步做出不可磨灭的贡献。
碳纳米管的研究及展望
碳纳米管的研究及展望 (1)碳纳米管的研究及展望碳纳米管（CNTS)[1]作为一种一维纳米材料，重量较轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能[2]。
近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。
碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。
层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2~20纳米。
并根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。
其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此如果按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管），多壁管在形成的时候，层与层之间易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷[3]。
与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
单壁管典型直径在0.6-2纳米，多壁管最内层可达0.4纳米，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100纳米[4]。
一碳纳米管的性能碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。
一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。
此外，碳纳米管还具有独特的光学性能，良好的热传导性，极高的耐酸、碱性和热稳定性[5]。
碳纳米管的物理性质1、高的机械强度和弹性。
2、强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢3、优良的导体和半导体特性（量子限域所致）4、高的比表面积5、强的吸附性能6、优良的光学特性7、发光强度随发射电流的增大而增强。
新型碳纳米结构的发现与启示
第29卷第1期2014年2月 大学化学UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.1Feb.2014 新型碳纳米结构的发现与启示*张安琪1 陈萌2**(1复旦大学材料科学系 上海200433;2复旦大学化学系 上海200433) 摘要 回顾了C60㊁碳纳米管和石墨烯3种重要碳纳米结构的发现过程,着重总结了新型碳单质发现过程中对科学研究者有益的启示与思考㊂ 关键词 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 1985年,C60的诞生改变了人们对碳元素单质种类的认识,这种 最完美的分子”顺理成章地成为第3种具有规整结构的碳同素异形体㊂C60的发现和研究,引发了大型碳笼分子及其衍生物的研究热潮,开启了一项全新的化学研究领域 富勒烯科学㊂随后,碳纳米管的发现(1991年)和石墨烯的制备(2004年)进一步丰富了 碳家族”成员㊂3种碳纳米结构的认识历程跌宕起伏,高潮迭起,颇具戏剧性;回顾其发现历程,总结和吸取其经验教训,能够带给我们许多有益的启示㊂1 新型碳材料的发现1.1 富勒烯 很多重大的科学发现是有 先兆”的㊂1966年,David E.H.Jones[1]在科普周刊‘新科学家“(New Scientist)发表了一篇题为 空心分子”的文章,提出空心石墨 气球”的构想㊂但这一想法过于理想化,且无事实依据,未能引起人们的关注㊂到20世纪70年代早期,Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨挥发凝聚法得到微小碳粒,这种颗粒在紫外区域产生了类似于星际物质的消光光谱㊂不过当时人们普遍认为碳单质仅有金刚石和石墨两种结构,这种颗粒及其可能来源于石墨的吸收峰,并无研究价值㊂Huffman和Kratschmer只是简单地将其解释为制造过程中不小心引入的杂质,从而错过了重大科学发现的机会㊂ 与此同时,英国波谱学家H.W.Kroto推测遥远星际空间的红巨星的富碳气氛中含有氰基聚炔链状分子(HC n N,n<15),他希望通过模拟富碳气氛合成该分子,探索其形成机制㊂1984年,Kroto结识了莱斯大学研究原子簇化学的R.E.Smalley教授,对他们设计的激光超团簇发生器很感兴趣㊂1985年, Kroto,Smalley和Curl联手合作,尝试用激光轰击石墨来制备氰基聚炔链状分子㊂在成功获得氰基聚炔链状分子的同时,他们意外地在第二代团簇束流发生器(AP2)的飞行时间质谱上发现了60个碳原子(C60)和70个碳原子(C70)的特征峰,其中C60处的信号峰最为强烈㊂那么,这个由60个碳原子组成的最稳定结构究竟是什么呢? 他们尝试把60个碳原子设计成类似于金刚石的正四面体结构㊁石墨的层状结构和环状多烯等多种分子结构,然而,无论怎样组合,这些结构都带有不饱和价键或碳原子支链,其化学性质必然非常活泼,这与C60分子超常稳定的事实不符㊂绞尽脑汁之际,Kroto想起了1967年加拿大蒙特利尔万国博览会中美国展览馆的造型 由五边形和六边形拼成的半球形建筑穹顶(图1(a)),随后,Smalley便设计了一个模型(图1(b)),恰好搭出了60个顶点的完美对称球体结构㊂* **基金资助:莙政基金中国大学生见习研修计划(No.12016) E⁃mail:chenmeng@图1 蒙特利尔万国博览会美国馆外观(a )和C 60分子构型(b ) 更令人感到惊奇的是,这个C 60模型竟然与传统的足球相同,是由20个六边形和12个五边形拼接而成,每个五边形周围环绕5个六边形,每个六边形周围环绕6个五边形,形成有60个顶点的完美球体㊂为了纪念网格穹顶带给他们的灵感,他们最终决定以这位建筑师的名字巴克明斯特㊃富勒(Richard Buckminster Fuller)命名这个分子巴克明斯特富勒烯(Buckminster Fullerene)㊂1985年11月,一篇题为 C 60:Buckminster Fullerene”的论文发表在Nature 杂志上[3],引起学术界强烈反响㊂大多数科学家没有想到碳单质除了石墨㊁金刚石和无定型碳之外,还可以以第4种同素异形体的形态出现㊂而且,许多人对所谓 足球笼状分子”表示强烈的怀疑:仅凭一个质谱图上的尖峰,怎么能证明一个如此复杂美妙的分子结构?由于当时的合成技术还无法制备足量的样品用于其他光谱表征,Kroto,Smalley 和Curl 也就无法给出更多的证据说明这种结构的存在㊂所以,对于很多科学家来说,富勒烯仍是一个不切实际的幻想,许多质疑 足球分子”存在的文章也纷纷出炉㊂到了1989年,C 60的研究跌到了最低谷,全世界范围内相关研究文章数目仅有24篇㊂ 直至1990年,Huffman 和Kratschmer [4]在实验室合成了大量C 60和13C 60材料,并测定了C 60分子的确切结构㊂同年,Kroto [5]利用C 70的核磁共振谱线证实了富勒烯的封闭球形结构以及不同稳定性的富勒烯的存在㊂此后,世界范围内相关研究文章和专利数目呈现爆炸式增长㊂1991年,C 60被美国‘科学“杂志评为年度分子(the molecule of the year),Kroto,Smalley 和Curl 也因发现富勒烯而于1996年获诺贝尔化学奖,但此前发现吸收光谱类似于星际物质的微小碳粒的Huffman 和Kratschmer 却未能获此殊荣㊂ 富勒烯是一系列由纯碳组成的原子簇的总称㊂它们是由非平面的五元环㊁六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯烃㊂其中,C 60的分子结构为球形32面体,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个碳碳双键的球状空心对称分子㊂与石墨相似,C 60中每个碳原子与周围3个碳原子形成3个σ键㊂C 原子采取sp 2.28杂化,用3个杂化轨道形成σ键,每个C 原子剩下的一个轨道与球面成101.6°,形成离域π键,故具有芳香性㊂1.2 碳纳米管 人们普遍认为碳纳米管是由日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)于1991年发现的㊂其实,早在1952年,前苏联科学家Radushkevich 和Lukyanovich [6]就发现了直径50nm 的单壁碳纳米管的结构,只是没有得到应有关注㊂1976年,Oberlin,Endo 和Koyama [7]用化学气相生长技术得到纳米碳纤维㊂1987年,Howard G.Tennent 甚至申请了纳米碳管的专利㊂然而只有饭岛澄男细致地研究了富勒烯产品里的 垃圾”并发表了有关碳管的形貌㊁尺寸和形成机理等的文章㊂饭岛澄男的文章发表后迅即引起世人的关注,开启了碳纳米管研究的热潮,饭岛澄男本人也摘得了碳纳米管发现者的桂冠㊂当饭岛澄男回答质疑他是否是碳纳米管发现者的问题时,他只说了一句:发表一张图片并不是科学㊂94 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示 其实,饭岛澄男的研究初衷并不在于碳纳米管,此前,他一直致力于高分辨率电子显微技术的研究㊂高温超导领域的重大突破使饭岛澄男成为众多高温超导材料研究者中的一员,他希望能利用世界先进的电子显微技术发现超导材料的超导机制㊂他尝试了元素周期表中所有的金属和半导体元素,但却一无所获㊂此时,富勒烯结构及其存在打破了人们长期以来对碳单质的习惯性认知,而且,这种新型碳单质展现出良好的超导性质㊂饭岛澄男此时才发现,自己之前尝试的众多元素里并没有C㊂那么这种最为常见的元素单质是不是最终的答案呢?他重新燃起了对高温超导材料的热情,投入到富勒烯研究中㊂实际上,此前已有众多科学家尝试了大量合成方法,然而产品纯度并不高,得到的富勒烯产物中总是混有大量 杂质”㊂对于这些富勒烯的粗产品,其他科学家大多只是进行了除杂提纯㊂然而,饭岛澄男却对这些副产品产生了兴趣,还用电镜进行了观察㊂出乎意料的是,这些副产品中含有大量不同尺寸的管状结构,其形貌与富勒烯相去甚远㊂随后,饭岛澄男把相关研究结果发表在Nature 上[8],由此,碳纳米管正式走入人们的视野,并以其良好的物理学和化学性能吸引了多领域专家的极大关注,掀起了另一种碳纳米结构的研究热潮(图2)㊂图2摇扶手椅型和锯齿状碳纳米管以及弯曲部位碳环示意图 碳纳米管是一种径向尺寸较小的管状碳分子,其中单壁碳纳米管的直径通常仅有1~2nm,而其长度一般在微米量级,长径比大,是典型的一维纳米材料㊂管上的每个碳原子采取sp 2杂化,与周围3个碳原子之间以碳⁃碳σ键相结合,形成由六边形的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架㊂每个碳原子上未参与杂化的一对p 电子共同形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云㊂碳纳米管的弯曲部位由五边形和七边形的碳环组成㊂当六边形逐渐延伸出现五边形时,碳纳米管就会凸出;而七边形出现则会使其凹进㊂如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口(图2)[9]㊂1.3 石墨烯 2004年,石墨烯(一种仅有一层碳原子厚度的新型碳材料)在英国曼彻斯特大学的物理实验室诞生,并迅速轰动了科学界㊂为此,曼彻斯特大学的Andre K.Geim 和Konstantin Novoselov [10]获得2010年诺贝尔物理学奖㊂ 石墨烯是迄今已知的最薄最硬㊁导电性能最好的材料㊂这种神奇物质的结构非常简单,相当于单层石墨,即碳原子的二维平面排布(图3)㊂早在1918年,V.Kohlschütter 和P.Haenni 就提出了单层原子05大学化学第29卷 模型,并详细地描述了石墨氧化物纸(graphite oxide paper)的性质,20世纪40年代,P.R.Wallace 在理论上预测了石墨烯结构的导电性能㊂但是,在Geim 和Novoselov 成功制得石墨烯之前,它一直被认为是不可能完成的任务㊂1934年,Peierls 指出准二维晶体热力学不稳定,不能在非绝对零度下存在㊂1966年,Mermin 和Wagner 提出Mermin⁃Wagner 理论,指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏㊂因此碳原子平面结构一直都仅仅是一个理想模型,无法大量制备㊂而Geim 等人却利用了简单的机械剥离法制备出单层石墨烯:先用透明胶带在铅笔的铅芯表面粘贴㊁揭下石墨薄片,然后将胶带对折粘贴,再次撕开,使石墨薄片变薄,如此重复数十次,直到分离出单层或数层石墨烯为止㊂图3摇石墨烯结构 Geim 认为,在发展成熟的领域很难有新的突破;而开辟一个新的领域反而更容易得到有价值的结果㊂Geim 曾对碳纳米管研究产生浓厚兴趣,但他认为自己入门较晚,从事碳管研究难以达到先进水平,必须转换视角,寻求一个全新的方向㊂与此同时,他发现人们对石墨这种极为常见的物质关注不多,知之甚少,如果尝试去研究超薄石墨层的电子结构,或许能有所收获㊂ 最初,Geim 尝试使用打磨的方法得到石墨薄片,但是打磨到极限也只能得到10层原子厚度的产品㊂后来,他们无意中发现,研究组的技术员在搭建低温扫描隧道显微镜时,用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品㊂于是,他们另辟蹊径,利用简单的透明胶带分离石墨法得到了单层石墨烯材料㊂此前,许多科学家尝试过极为复杂的分离方法,却都未能制备出石墨烯薄膜㊂他们怎么也没想到,一卷透明胶带和一支铅笔,竟然创造了奇迹㊂石墨是若干碳原子平面平行堆叠而成,在同一平面内,相邻碳原子之间依靠共价键结合,十分牢固;而相邻平面之间依靠相对较弱的范德华力维系,很容易产生相对滑动,胶带粘结的力量就足以剥离不同石墨层,而石墨层内碳原子之间的共价键却不会受损㊂至此, 准二维晶体热力学不稳定”的说法也就不攻自破了[11]㊂2 启示与思考 3种碳纳米结构的发现历程蕴含着丰富的科学精神和探索方法,给科学工作者以宝贵的经验和启示㊂2.1 给偶然以机会 在科学史上,许多重大发现最初并非理性产物㊂C 60分子就是Kroto 等人在研究星际尘埃并成功合15 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示25大学化学第29卷 成氰基聚炔链状分子时意外发现的㊂其实,在此之前,已经有两个分子团簇研究小组观察到了C60的尖峰,但却没有进一步推断其分子结构,与唾手可得的伟大发现擦肩而过㊂Kroto等人没有单纯地将其解释为杂质,而是进行深入研究和探索,并作出大胆假设,完成了人类对碳单质认知的新突破㊂ 碳纳米管的发现更充满戏剧性㊂饭岛澄男在富勒烯发现之后,曾致力于其高温超导的研究㊂当时,众多科学家致力于制备高纯度富勒烯,但得到的产物总是混有大量副产品,饭岛澄男恰恰对这些副产品产生了兴趣㊂为什么富勒烯的收率总是不尽如人意呢?为什么副产品一次又一次出现?所有人都习惯了提纯和除杂,而饭岛却能够对人们熟视无睹的现象进行反思㊂当他把 杂质”拿到电镜下观察,竟然发现大量碳管,可谓 踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”㊂确实, 完美分子”富勒烯的魅力当然远大于试管上黑乎乎的杂质,而饭岛澄男的可贵之处就在于他对未知事物有强烈的求知欲㊂ 10多年之后,Geim也做出了令人拍案叫绝的工作㊂石墨烯的发现堪称一卷透明胶带创造的奇迹,他们的灵感来源只是Geim无意间看到实验室技术员用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品㊂在Geim 研究制备石墨烯的同时,哥伦比亚大学的Philip Kim教授也在尝试用原子力显微镜针尖在扫过石墨顶端时刮下几片石墨烯,然而他们的尝试并没有成功㊂最终,透明胶带完胜原子力显微镜㊂ 机遇无处不在,然而只有善于寻找和发现的眼睛才能看到机遇㊂在科学研究过程中,机遇为科学研究提供了宝贵的线索,推动了科技革命的进程㊂3种新型碳纳米材料的发现者都具备敏锐的观察力㊁丰富的想象力㊁坚韧的意志,能够及时发现和捕捉机遇㊂机遇是属于有准备的人的,正如贝弗里奇的‘科学研究的艺术“一书[12]中所说, 有时,机遇带给我们线索的重要性十分明显,但有时只是微不足道的小事,只有很有造诣的人,其思想满载着有关论据并已发展成熟适于作出发现,才能看到这些小事的意义所在㊂”2.2 科学探索是追求美的过程 人们在发现自然的和谐之美时,总会赞叹造物者的精妙㊂形似足球的外形图案,60个顶点的完美结构,富勒烯因其高度对称之美被誉为最完美的分子;碳纳米管作为一维纳米材料,长径比大,六边形结构连接完美,管身呈现圆管结构,轴向对称,具有高度均一性㊂在诸多科学领域, 对称”是一种最为基础的美学要素㊂很多化学分子有高度对称的结构,譬如苯环㊁冠醚㊁富勒烯等;而物理学领域中的守恒定律则反映了事物进程或物理规律的对称性㊂古希腊的毕达哥拉斯学派提出了和谐之美的概念, 一切立体图形最美的是球体,一切平面图形中最美的是圆形”㊂凯库勒得益于其早年对建筑学的研究,才建立了优美的正六边形对称的苯分子模型㊂而富勒烯的发现,也是源于薄壳拱顶建筑的高度对称设计;建筑的美学㊁团簇分子的结构㊁星际物质㊁足球的形状,在此奇妙地融为一体㊂ 物理之美,其最典型㊁最深刻之处,恰恰在于简洁㊂石墨烯的发现使得原子层面上的研究变得更加简单㊂仅有单原子层厚度的蜂窝型二维石墨烯是世界上已知的最薄㊁最坚硬的材料,由单层碳原子正六边形平铺而成㊂在石墨烯发现之前,原子层级的操控往往需要昂贵仪器和繁琐操作,而石墨烯制备简便㊁性质稳定,迄今为止,仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况,大大简化了相关研究㊂而Geim等人的胶带剥离法更是将 简洁”二字发挥到了极致,不需要任何昂贵仪器和分离试剂,即可获得有价值的产品㊂ 科学史学家J.W.N.Sullivan的一句话很好地概括了科学之美的奥义: 引导科学家的动力,归根结底是美学冲动的表示㊂”2.3 怀疑精神和创新意识是科学创造的基石 科学的怀疑精神就是要敢于挑战常识和权威㊂富勒烯发现之前,人们对碳单质的研究早已失去兴趣,谁也没有预料到,除了石墨和金刚石之外,竟然还存在其他的碳单质㊂而碳纳米管更是被许多科学家当作杂质除掉㊂没有挑战常识的勇气,科学是不可能发展的㊂其实,现代科学的诞生正是发扬怀疑精神的结果:科学的先驱们选择相信真理,率先质疑了神创论,推翻了时人赖以生存的心理支柱,才使得科学文明开始蓬勃发展㊂当然,仅仅具有怀疑精神是不够的,科学的怀疑精神必须建立在反复求证的基础上,即对各种主张用严密的逻辑进行分析,用大量的实验进行求证,全面㊁真实地反映客观存在规律㊂科学的先驱者之所以伟大,并不仅仅因为他们富于创新精神,不畏权威,不被常识所束缚,更是因为他们信奉真理,追求理性和实证㊂ 在科学发展的进程中,好奇心往往是许多重大发现的根源㊂科学既然着重于对未知事物的探求,那么一味模仿前人是不可取的;一个富于创新精神的科学家,就是能够站在全新的视角去看旧问题㊂Geim 并不是尝试制备石墨烯的第一人,在他之前,无数科学家做了大量工作,始终未能成功,继而认定制备石墨烯是不可能完成的任务㊂而Geim 从前人的无数失败中,看到了传统方法的局限性,这才有了胶带剥离法的奇妙创意㊂一个重大研究成果的发现,有时不一定如人们设想的那样艰难㊂当我们在一条路上历尽千辛万苦仍一无所获时,不妨回到原点,另辟蹊径,成功或许并不遥远㊂ 当然,科学研究的道路绝非一片通途,错误和曲折在所难免㊂我们在感叹前人思维的巧妙和简洁的同时,必须意识到在那一闪念的灵感之前,要历经无数失败,苦心钻研,殚精竭虑,才能捕捉到那偶然的火花㊂2.4 合作是科学研究的前提 正如英国实验物理学家查德威克(James Chadwick)所说,先进的科学知识通常是很多人的劳动成果㊂个体的认知能力是有限的,在现代科学的探索过程中,不同学科㊁不同专长㊁不同来历的科学家往往能够更为全面地发现问题的关键㊂Kroto 在研究星际物质中富含碳的尘埃时,对氰基聚炔链状分子产生了浓厚兴趣,但没有相应的仪器设备㊂后来,Kroto 赴美结识了莱斯大学研究原子簇化学的Smalley 教授,利用他们自行设计的激光超团簇发生器,才得到了一系列关键数据㊂Konstantin Novoselov 博士是Geim 教授的博士生及长期合作者,两人通力合作完成单层石墨烯的制备和研究并共享诺贝尔奖㊂不同领域㊁不同背景的科学家之间的相互合作,不同思维方式的相互融合,促成了一个又一个重大科学发现㊂ 总之,富勒烯㊁碳纳米管㊁石墨烯这3种新型碳纳米结构的陆续发现以及对其奇特物化性质的研究,打开了碳纳米科学的大门,触发了一个接一个的研究热点,引领着人们从自然科学的必然王国向自由王国跃进㊂参 考 文 献[1] Jones D E H.New Sci ,1966,32(245):1[2] Baggott J E.Perfect Symmetry:the Accidental Discovery of Buckminsterfullerene.New York:Oxford University Press,1994[3] Kroto H W,Heath J R,O′brien S C,et al.Nature ,1985,318(6042):162[4] Kratschmer W,Fostiropoulos K,Huffman D R.Chem Phys Lett ,1990,170(2⁃3):167[5] Taylor R,Hare J P,Abdulsada A K,et al.J Chem Soc ,Chem Commun ,1990(20):1423[6] Radushkevich L V,Lukyanovich V M.Z Fis Chim ,1952,26:88[7] Oberlin A,Endo M,Koyama T.J Cryst Growth ,1976,32(3):335[8] Iijima S.Nat Nanotechnol ,2007,2(10):590[9] Lau K T,Hui posites Part B ,2002,33(4):263[10] Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Science ,2004,306(5696):666[11] Geim A K.Rev Mod Phys ,2011,83(3):851[12] Beveridge W I B.The Art of Scientific Investigation.New York:Vintage Books,195035 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示。
碳材料的发展前沿和展望
碳材料的发展前沿和展望在当今的工业生产和科技领域中，碳材料被视为一种非常重要的材料。
它们既具有轻量化、耐腐蚀等优良性能，又包含多种结构和形态，可以用于制造各种功能性材料和器件。
近年来，碳材料的研究和应用领域不断拓展，取得了许多新的成果和进展。
下面将介绍碳材料的发展前沿和展望。
碳材料的发展前沿1. 三维打印技术三维打印技术可以打印出各种形状和复杂度的结构，这对于制造碳材料的复杂器件具有重要意义。
目前，基于三维打印技术的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料已经成功实验。
未来，三维打印技术将可用于构建更为复杂的碳材料器件。
2. 炭烤液态金属炭烤液态金属是指在炭烤后得到的具有类金属外观的多孔炭化体。
通过这种方法可以制造出各种具有特殊形状和功能的碳材料，如超级电容器、钠离子电池等。
由于其多孔性，炭烤液态金属还具有非常好的分离效果，可以用于水处理等领域。
3. 石墨烯材料石墨烯是一种新兴的碳材料，拥有极高的导热、导电、机械强度和化学稳定性。
石墨烯材料具有一个原子层的厚度，具备很多现有材料所没有的优异性能和潜在应用，如电子器件、生物医学材料、过滤和分离领域。
石墨烯的研究和发展成为了碳材料的重要方向之一。
碳材料的展望1. 发展碳材料复合材料碳材料复合材料是将碳材料与其他材料复合形成新型材料的方法。
未来，复合材料的发展领域会非常广阔，如碳纤维与塑料复合材料、碳化硅与炭纤维复合材料、石墨烯与聚合物复合材料等。
这些复合材料将能够满足更多的应用需求。
2. 在新能源材料中的应用新能源汽车、储能、光伏和光催化等领域需要大量的碳材料。
经过科学家的不断研究和开发，碳材料已经成功地应用于新能源中，如钠离子电池、超级电容器等。
3. 探索碳材料的光电响应性质碳材料有着良好的光学、光电性质，可以发挥出光学、光电及光化学等特殊功能。
未来，可以通过改变碳材料的具体结构和形态来探索该领域的可能性。
预计随着人们对光电响应性质的理解越来越深入，碳材料光电应用领域将不断扩大。
碳纳米管及其应用
1 引言纳米材料是纳米技术的基础，而碳纳米管又可称为纳米材料之王。
碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域。
碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法，评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值，展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。
在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。
1993年。
S.Iijima等和DS。
Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。
相关的实验研究和理论计算也相继展开。
初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。
适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。
研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。
据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。
此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。
利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。
例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。
使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。
碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。
碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。
新型碳材料的研究进展和应用前景
新型碳材料的研究进展和应用前景近年来，随着全球对环境和能源问题的关注度越来越高，低碳经济与清洁能源成为了全球的热门话题。
而作为其中的一个重要组成部分，新型碳材料的研究也日益受到了越来越多的关注。
本文将重点介绍新型碳材料的研究进展和应用前景。
首先，我们先来认识一下什么是新型碳材料。
新型碳材料是指具有一定结构和功能的碳材料，不仅具备传统碳材料的基本性质，还具有很多新的特性和应用。
其中最常见的新型碳材料包括碳纳米管、石墨烯和纳米多孔碳材料等。
目前，新型碳材料的研究正在蓬勃发展。
在碳纳米管方面，科研人员通过不断改进和完善制备工艺，已经可以制备出高质量、高稳定性和高比表面积的碳纳米管。
这些碳纳米管具有广泛的应用前景，包括储氢材料、光电器件、催化剂载体等方面。
而在石墨烯领域，石墨烯的制备技术也日渐成熟。
石墨烯具有优异的电学、热学和机械性能，在电子器件、传感器、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
除此之外，纳米多孔碳材料也是新型碳材料领域的一大热点。
纳米多孔碳材料具有高比表面积、多孔性和高导电性等特性，可以作为高性能催化剂、电极材料和分离材料等，用途非常广泛。
随着科研人员对这些材料的研究深入，相信未来还会有更多的新型碳材料涌现出来。
除了在科学研究中的应用，新型碳材料也具有广泛的工业应用前景。
例如在电池、超级电容器和储氢材料方面，新型碳材料的应用可以大大提高产品性能。
此外，新型碳材料还可以用于污水处理、废气处理等环境领域，具有非常鲜明的低碳环保特点。
总的来说，新型碳材料研究和应用的前景非常广泛。
研究人员在这个领域不断地探索、尝试，致力于将碳材料的应用范围不断扩大、提高其性能，为低碳经济和清洁能源发展做出自己的贡献。
我们有理由相信，未来新型碳材料的发展会更加快速、全面，给我们的生活带来更多的创新和变化。
碳纳米管实验报告
碳纳米管实验报告碳纳米管实验报告引言碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有独特的结构和优异的性能，因此在材料科学和纳米技术领域引起了广泛的关注。
本实验旨在通过制备碳纳米管并研究其性质，探索其在材料科学和纳米技术中的应用潜力。
实验方法1. 碳纳米管制备我们采用化学气相沉积法（CVD）来制备碳纳米管。
首先，将铁为催化剂的硅片放入石英管中，然后将预先制备的碳源溶液滴在铁催化剂上。
接下来，将石英管放入炉中，在高温下进行热解反应。
最后，用氮气冷却石英管，取出硅片。
2. 碳纳米管表征我们使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）来观察和表征制备的碳纳米管。
通过SEM，我们可以获得碳纳米管的形貌和尺寸信息；而TEM则可以提供更高分辨率的图像，以便更详细地研究碳纳米管的结构。
实验结果1. 碳纳米管制备通过CVD方法制备的碳纳米管在铁催化剂上形成了森林状的结构。
碳源溶液在高温下分解，碳原子沉积在铁催化剂表面，形成了纳米尺寸的碳纳米管。
通过调节反应条件，我们可以控制碳纳米管的直径和长度。
2. 碳纳米管表征SEM观察结果显示，制备的碳纳米管呈现出均匀分布、整齐排列的特点。
通过测量SEM图像中的碳纳米管直径，我们发现其平均直径约为20纳米。
TEM图像进一步证实了碳纳米管的结构，显示出典型的中空管状形貌。
讨论1. 碳纳米管的应用潜力碳纳米管具有优异的力学性能、导电性能和热导性能，因此在材料科学和纳米技术领域有广泛的应用潜力。
例如，碳纳米管可以用作增强材料，提高复合材料的力学性能；它们还可以用于制备导电纳米材料，如柔性电子器件和传感器；此外，碳纳米管还可以作为纳米药物载体，用于靶向治疗等。
2. 碳纳米管的制备和表征本实验采用的CVD方法是一种常见的碳纳米管制备方法，具有较高的产量和可控性。
然而，制备过程中仍存在一些挑战，如催化剂的选择和反应条件的优化。
此外，碳纳米管的表征也需要借助先进的显微镜技术，以获得更准确的结构信息。
碳纳米管的生长机理及应用探究
碳纳米管的生长机理及应用探究碳纳米管是目前最具开发应用前景的新型材料之一，具有高强度、高导电性、高热稳定性等突出特性，被广泛应用于电子、催化、储氢、生物医学等领域。
本文将从碳纳米管的生长机理及应用探究两个方面着手，分析其研究现状和未来发展趋势，以期为相关研究提供参考和启示。
一、碳纳米管的生长机理碳纳米管的生长机理，是一个十分复杂的过程，涉及许多物理、化学、材料学等知识。
基本上，碳纳米管的生长可以分为两大类：热解法和化学气相沉积法。
（一）热解法热解法是将石墨、金属、碳酸钠或有机物等为原料，在比较高温度下进行热解或爆炸，先生成含碳中间体，然后其再高温条件下在纳米尺寸的金属催化剂表面生长至其具有一定长度之后形成碳纳米管。
这种方法的原料和工艺条件对碳纳米管质量有很大的影响，生长出的碳纳米管的性能表现也会不同。
（二）化学气相沉积法化学气相沉积法是指在一定的反应条件下，使气体原料在金属催化剂表面上形成碳纳米管的一种方法，这个过程主要是碳原子在催化剂表面上通过热解方法被沉积出来，然后由于一个碳原子吸引4个相邻的碳原子，形成碳结构的过程。
这两种方法的生长原理虽然不同，但都有相同的特点：碳纳米管是借助催化剂直接在其表面上生长而成，催化剂的选择、原料相对浓度、反应温度、压力和时间等因素对催化剂表面的碳硅化物中间体和纳米碳管的形成具有很大影响。
二、碳纳米管的应用探究随着碳纳米管的研究不断深入，其应用前景也日益广泛。
目前，碳纳米管在电子、催化、储能、生物医学等领域的应用越来越受到人们的关注。
（一）电子领域应用碳纳米管的电子输运特性常被用于制作纳米电路、电场发射器、场效应管和电化学电极等器件中，具有广阔的应用前景。
与传统的Si电子器件相比，碳纳米管具有与之媲美的电子输运特性、更高的热导率和机械强度，能够将电子器件的性能从微观入手进行提升。
（二）催化领域应用碳纳米管在催化领域也有着广阔的应用前景。
目前，一些重要化学反应如氢气化反应、氧还原反应、脱氢氧化反应、同核交换反应等均有碳纳米管的应用，其应用范围可谓是十分广泛。
新型碳材料的研究与应用前景展望
新型碳材料的研究与应用前景展望近年来，一种新型的碳材料——石墨烯，引起了科学界的广泛关注。
由于其出色的导电性、耐腐蚀性和强度等特性，在研究领域和工业应用中，石墨烯带来了突破性的变革。
在这个趋势下，人们开始探索新型碳材料的研究和应用前景，并做出了一些有趣的成果和创新。
本文旨在对新型碳材料的研究和应用进行展望，并探讨碳材料在各领域的可能性和潜力。
一、新型碳材料的发展历程早在20世纪初期，钻石等天然碳材料就已经被人们广泛应用。
而人工合成碳材料的研究则始于20世纪50年代。
在此之后的几十年里，人们发现了不同种类的碳材料，例如碳纳米管和葫芦状结构等。
但这些碳材料的应用仍然有许多限制，比如纳米管和葫芦状结构的制备成本高昂，生产过程中的污染物难以处理，而且稳定性、可靠性等问题也不容忽视。
而在2004年，来自英国曼彻斯特大学的安德里·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫等人，制备出了一种在22纳米尺度下具有独特性质的三维网状结构——石墨烯。
石墨烯是一种以花式的二维碳原子为基础单位，形成蜂窝状花纹结构，从而形成六角形的花瓣，呈现一种类似于蜂窝的结构。
石墨烯的独特性质极大地推动了人们对新型碳材料的研究和应用。
与其他碳材料相比，石墨烯具有以下优点：1. 极高的导电性2. 高强度和高韧性3. 高透明度4. 超大的比表面积5. 较高的热稳定性二、新型碳材料在各领域的应用前景1. 材料科学领域纳米电子、磁学、反应和表面化学等领域中对于新材料的应用需求不断增加。
发展新型碳材料将在将来对这些领域带来革命性的变化。
例如，基于石墨烯的半导体等电子学器件可在超低电压下工作。
通过各种处理工艺结合微纳加工制造的碳纳米管和石墨烯薄膜可以在热电、电池等领域得到应用。
石墨烯的热性能在铁热学领域也有重要应用前景。
2. 生物医学领域碳材料在生物领域的应用可以追溯到有机天然物质碳水化合物。
随着医学和生命科学的发展，人们也开始探索碳材料在生物医学领域的应用。
碳纳米管的制备、性质和应用进展
在化学传感器和生物传感器领域，碳纳米管的敏感度高、响应速度快，可检测 多种化学物质和生物分子。例如，多壁碳纳米管可检测空气中的有害气体分子， 单壁碳纳米管可检测生物体内的病毒和细菌。这些应用为化学和生物分析提供 了新的检测手段。
在硬材料制备领域，碳纳米管因其卓越的力学性能和热导率而被用于制备高性 能复合材料和耐磨材料。例如，将碳纳米管添加到塑料或橡胶中可显著提高材 料的强度、韧性和热稳定性。此外，碳纳米管还被用于制造刀具和轴承等耐磨 器件，其高硬度和高耐磨性使得这些器件的性能得以显著提升。
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碳纳米管的电子结构研究表明，它们具有金属性和半导体性两种类型，具体取 决于碳纳米管的层数和手性。碳纳米管的导电性能与金属导线相似，具有高电 导率。同时，碳纳米管还具有优异的热导率，可高达6000 W/m·K，远高于铜。
碳纳米管的应用：
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子、化学传感器、生物传感器和硬材 料制备等领域具有广泛的应用前景。
3、生物医学领域
在生物医学领域，碳纳米管膜也展现出广阔的应用前景。由于其生物相容性和 良好的电性能，碳纳米管膜可以作为药物载体和细胞培养基底。研究表明，将 药物包裹在碳纳米管膜内，可以实现对药物的精确控制和靶向输送。同时，碳 纳米管膜还可以作为细胞生长支架，促进细胞的黏附和增殖。
4、电子器件领域
然而，尽管碳纳米管的研究已经取得了许多成果，但仍存在一些问题需要进一 步探讨。例如，碳纳米管的制备过程中，如何实现规模化生产并降低成本；在 性质方面，如何控制碳纳米管的形貌和性能；在应用方面，如何将碳纳米管更 好地应用到实际生产和科学研究中。
同时，随着科技的不断进步和创新，碳纳米管的研究和应用前景也日益广阔。 未来，可以进一步探索碳纳米管在其他领域的应用，如能源、环保、生物医学 等。此外，随着人工智能和大数据等技术的快速发展，可以预见碳纳米管的研 究和应用将越来越受到智能化和数字化的影响，这将会为碳纳米管的研究和应 用带来更多的机遇和挑战。
碳纳米管的制备与应用技巧
碳纳米管的制备与应用技巧碳纳米管作为一种具有特殊结构和优良性能的纳米材料，其制备与应用一直受到科学家们的广泛关注。
本文将深入探讨碳纳米管的制备技术以及其在不同领域的应用，希望能够为读者带来一些有益的思考。
第一部分：碳纳米管的制备技术1. 碳纳米管的化学气相沉积方法化学气相沉积是目前常用的碳纳米管制备方法之一。
该方法通过控制反应条件，在金属催化剂表面使碳源发生热分解，从而生成碳纳米管。
在不同的反应条件下，可以制备出不同结构和性质的碳纳米管。
2. 碳纳米管的电化学沉积方法电化学沉积是一种相对简单且可控性较好的碳纳米管制备方法。
通过将导电基底放置于含有碳源和电解质的溶液中，施加特定电位或电流，在导电基底上沉积碳纳米管。
该方法的优点在于可以精确控制碳纳米管的形貌和尺寸。
3. 碳纳米管的物理气相沉积方法物理气相沉积是一种通过高温炭化碳源材料制备碳纳米管的方法。
在高温条件下，碳源材料会发生热分解，生成碳原子，进而形成碳纳米管。
该方法通常需要较高的温度和真空环境，制备过程相对较为复杂。
第二部分：碳纳米管的应用技巧1. 碳纳米管在电子领域的应用碳纳米管具有优异的导电性能和力学特性，在电子领域具有广泛的应用前景。
例如，可以将碳纳米管作为柔性电子器件的基底材料，制备出具有高灵活性和可扩展性的电子产品。
2. 碳纳米管在能源领域的应用碳纳米管也可以应用于新能源领域。
例如，可以将碳纳米管作为锂离子电池的电极材料，其高比表面积和强大的承载能力可以显著提高电池的能量密度和循环寿命。
3. 碳纳米管在生物医学领域的应用碳纳米管在生物医学领域具有许多独特的特性，例如可以用于细胞成像、药物递送和生物传感等应用。
通过将药物包裹在碳纳米管内，可以实现药物的靶向输送，并提高疗效。
4. 碳纳米管在材料强化领域的应用碳纳米管具有出色的力学性能和化学稳定性，可以作为材料的增强剂。
通过将碳纳米管添加到聚合物基体中，可以显著提高材料的强度、刚度和耐磨性能。
建筑工程中新型建筑材料的应用与发展
建筑工程中新型建筑材料的应用与发展摘要:本论文探讨了新型建筑材料在建筑工程中的应用与发展。
随着科技的不断进步，建筑行业也在不断创新，新型建筑材料的引入对于提高建筑质量、节能减排、降低成本等方面具有重要意义。
首先，我们回顾了一些新型建筑材料的种类，如碳纳米管、透明太阳能板、智能玻璃等，并探讨了它们的特点和优势。
接着，论文分析了新型建筑材料在建筑设计、结构、维护等不同阶段的应用情况，并探讨了它们的潜在影响。
最后，我们讨论了新型建筑材料的未来发展趋势，包括可持续性、环保性以及与智能建筑技术的结合等方面的挑战与机遇。
本文旨在为建筑工程领域的研究者、设计师和从业者提供有关新型建筑材料的全面了解，以推动建筑工程领域的创新和可持续发展。
关键词:新型建筑材料，建筑工程，创新，可持续性，智能建筑技术引言:随着科技不断推陈出新，建筑工程领域也在不断演进。
本文将深入研究新型建筑材料在建筑工程中的应用与发展，探讨这一领域的前沿趋势和潜在影响。
新型建筑材料不仅为建筑设计带来了创新的可能性，还为可持续性建筑、能源效率和环境保护提供了新的机遇。
本研究的目的在于揭示这些材料的潜力，为建筑工程领域的创新提供启示，以推动建筑行业朝着更加智能、可持续的未来迈进。
让我们一起深入探讨新型建筑材料的精彩世界。
一、新型建筑材料的种类与特点随着科技不断进步，建筑工程领域也在不断迈向创新，其中新型建筑材料的应用成为一个备受关注的领域。
新型建筑材料可以提供独特的性能和特点，以满足不同的建筑需求。
本节将深入探讨新型建筑材料的种类和特点。
1、我们需要了解不同种类的新型建筑材料。
这些材料包括但不限于碳纳米管、透明太阳能板、智能玻璃、自修复混凝土和生物材料。
碳纳米管以其出色的强度和导电性而闻名，透明太阳能板则具有将太阳能转化为电能的能力，而智能玻璃可以根据环境条件自动调节透明度。
自修复混凝土能够自行修复微小的裂缝，而生物材料可以降低对环境的负面影响，使建筑更加生态友好。
碳纳米材料的应用
碳纳米材料的应用碳纳米材料是一种新型的材料，具有独特的物理、化学和结构特性，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
在能源领域，碳纳米材料可以用于制备高效的储能材料和催化剂；在材料科学领域，碳纳米材料可以用于制备高强度、高导电性的复合材料；在生物医学领域，碳纳米材料可以用于制备生物传感器和药物载体等。
首先，碳纳米材料在能源领域有着重要的应用。
碳纳米材料具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，这使得它们成为理想的储能材料。
例如，碳纳米管可以作为锂离子电池的电极材料，其高导电性和良好的化学稳定性能够大大提高电池的循环寿命和充放电性能。
此外，碳纳米材料还可以作为催化剂，用于提高能源转换和储存的效率，例如在燃料电池和水电解中的应用。
其次，碳纳米材料在材料科学领域也有着广泛的应用。
由于碳纳米材料具有优异的力学性能和导电性能，它们可以被用来制备高强度、高导电性的复合材料。
例如，将碳纳米管或石墨烯等碳纳米材料添加到聚合物基体中，可以显著提高复合材料的力学性能和导电性能，从而拓展了复合材料的应用领域，如航空航天、汽车制造等。
此外，碳纳米材料在生物医学领域的应用也备受关注。
碳纳米材料可以用于制备生物传感器，用于检测生物分子的浓度和活性，具有高灵敏度和快速响应的特点。
同时，碳纳米材料还可以作为药物的载体，用于提高药物的生物利用度和靶向性，从而减少药物的副作用和毒性，为临床治疗提供更多的选择。
综上所述，碳纳米材料具有广泛的应用前景，在能源、材料科学和生物医学等领域都有着重要的应用价值。
随着碳纳米材料研究的不断深入，相信它们将会在更多的领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
纳米碳材料的研究及应用前景
纳米碳材料的研究及应用前景随着科技的不断进步，纳米技术逐渐成为了一个热门的领域。
而其中，纳米碳材料作为其中的一种，其研究与应用也日趋广泛。
一、纳米碳材料的定义纳米碳材料，指的是一种在纳米尺度下制备的碳材料。
这种材料的尺寸精确到了纳米级别，其大小约为1~10纳米。
二、纳米碳材料的种类纳米碳材料分为多种，如纳米碳管、石墨烯、烯类化合物等。
其中，纳米碳管是最早被发现的一种纳米碳材料。
它的结构可以看做是一种圆柱形，由碳原子组成，并且可以通过碳纤维或电弧等多种方式制备。
石墨烯则是一种由碳原子形成的平面单层晶体，由于其很好的电导率和高比表面积等性质，在能源、生命科学等领域都拥有着广泛的应用前景。
烯类化合物则是由多个碳原子形成蜂窝状的结构，其具有高强度、高导热率等特性，也被广泛用于材料科学的研究与创新中。
三、纳米碳材料的研究与应用1.石墨烯由于石墨烯的高导电性、高透明度、高比表面积等特质，使得它在能源领域得到了广泛的应用。
例如，石墨烯可以用于制造太阳能电池、储能电池等能源相关的材料，通过石墨烯的导电特性，可以提高太阳能电池的转换效率和电池的储能效率。
此外，石墨烯还可以用于生命科学领域的研究。
例如研究人员可以将纳米石墨烯纳入到药物颗粒中，利用其高比表面积将药物粒子的分散度更加均匀，从而实现药效的提高。
2.纳米碳管纳米碳管的导电性、强度、光学性质等特点，使得它在电子器件、生命科学和储能等领域都有着广泛的应用。
例如，纳米碳管可以形成纳米级别的集成电路，能够用于高速电信传输和高效储存晶体管的核心电荷。
在生命科学领域，纳米碳管的可控性制造和分散性，可以将其应用于药物递送、细胞成像、生物传感器等领域。
在储能方面，纳米碳管阴极储能器可以有效地提高锂电池的储能密度和功率密度。
总体而言，纳米碳材料的研究与应用在众多领域取得了显著的进步，并对未来的科技发展产生了深远的影响。
碳纳米材料的研究进展
碳纳米材料的研究进展XX武汉大学化学与分子科学学院摘要:碳纳米材料是具有纳米尺寸的碳材料，它有纳米材料的特性如表面效应，并且已经在许多领域中有着广泛的应用，如新能源、高效的储存器及各种电子器件。
由于碳元素在自然界中丰度大，相对质量小，化学与热力学性质稳定，所以在最近的二十年里碳材料在轻质、稳定结构材料方面有很广泛的应用。
尤其像富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等碳纳米结构材料引起了科学家们的广泛关注。
并且这些材料有可能为我们在新能源和高效的微电子器件方面带来革命性的突破。
本文将通过最新的研究成果，介绍碳纳米材料在电学器件、光学器件、传感器件等方面的应用，比较说明富勒烯，碳纳米管，石墨烯等材料的潜在应用前景，并对未来石墨烯的研究中的挑战做综述性论述。
关键词：碳纳米材料发展趋势新的研究成果微电子器件The development of carbon nanomaterialsYang LiCollege of chemistry and molecular, Wuhan universityAbstract:carbon nanomaterials materials, that is, carbon materials with a feature size on the nanometer scale and, in some cases, functionalized surfaces, already play an important role in a wide range of emerging fields, such as the search for novel energy sources, efficientenergy storage, sustainable chemical technology, as well as organic electronic materials. The high natural abundance of carbon, its low specific weight, as well as the chemical and thermal robustness of the different carbon allotropes have resulted in carbon components being increasingly utilized in cheap, lightweight, and durable high-performance materials over thepast two decades.[1] In particular, carbon nanostructures such as fullerenes, carbon nanotubes (CNTs), graphene, and carbon fibers are famous.Furthermore, such materials might offer solutions to the challenges associated with the on-going depletion of nonrenewable energy resources or climate change, and they may promote further breakthroughs in the field of microelectronics.Here, we present an extensive review of carbon nanomaterials in electronic, optoelectronic, photovoltaic, and sensing devices with a particular focus on the latest examples based on the highest purity samples. Specific attention is devoted to each class of carbon nanomaterial,thereby allowing comparative analysis of the suitability of fullerenes, carbon nanotubes, and graphene for each application area. In this manner, this article will provide guidance to future application developers and also articulate the remaining research challenges confronting this field.Key words carbon nanomaterials development trend new research results microelectronics引言：碳元素是生命的骨架, 是人类最早接触并利用的元素之一碳元素的最大特点之一是存在众多的同素异形体, 如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、卡拜等。
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第29卷第1期2014年2月 大学化学UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.1Feb.2014 新型碳纳米结构的发现与启示*张安琪1 陈萌2**(1复旦大学材料科学系 上海200433;2复旦大学化学系 上海200433) 摘要 回顾了C60㊁碳纳米管和石墨烯3种重要碳纳米结构的发现过程,着重总结了新型碳单质发现过程中对科学研究者有益的启示与思考㊂ 关键词 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 1985年,C60的诞生改变了人们对碳元素单质种类的认识,这种 最完美的分子”顺理成章地成为第3种具有规整结构的碳同素异形体㊂C60的发现和研究,引发了大型碳笼分子及其衍生物的研究热潮,开启了一项全新的化学研究领域 富勒烯科学㊂随后,碳纳米管的发现(1991年)和石墨烯的制备(2004年)进一步丰富了 碳家族”成员㊂3种碳纳米结构的认识历程跌宕起伏,高潮迭起,颇具戏剧性;回顾其发现历程,总结和吸取其经验教训,能够带给我们许多有益的启示㊂1 新型碳材料的发现1.1 富勒烯 很多重大的科学发现是有 先兆”的㊂1966年,David E.H.Jones[1]在科普周刊‘新科学家“(New Scientist)发表了一篇题为 空心分子”的文章,提出空心石墨 气球”的构想㊂但这一想法过于理想化,且无事实依据,未能引起人们的关注㊂到20世纪70年代早期,Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨挥发凝聚法得到微小碳粒,这种颗粒在紫外区域产生了类似于星际物质的消光光谱㊂不过当时人们普遍认为碳单质仅有金刚石和石墨两种结构,这种颗粒及其可能来源于石墨的吸收峰,并无研究价值㊂Huffman和Kratschmer只是简单地将其解释为制造过程中不小心引入的杂质,从而错过了重大科学发现的机会㊂ 与此同时,英国波谱学家H.W.Kroto推测遥远星际空间的红巨星的富碳气氛中含有氰基聚炔链状分子(HC n N,n<15),他希望通过模拟富碳气氛合成该分子,探索其形成机制㊂1984年,Kroto结识了莱斯大学研究原子簇化学的R.E.Smalley教授,对他们设计的激光超团簇发生器很感兴趣㊂1985年, Kroto,Smalley和Curl联手合作,尝试用激光轰击石墨来制备氰基聚炔链状分子㊂在成功获得氰基聚炔链状分子的同时,他们意外地在第二代团簇束流发生器(AP2)的飞行时间质谱上发现了60个碳原子(C60)和70个碳原子(C70)的特征峰,其中C60处的信号峰最为强烈㊂那么,这个由60个碳原子组成的最稳定结构究竟是什么呢? 他们尝试把60个碳原子设计成类似于金刚石的正四面体结构㊁石墨的层状结构和环状多烯等多种分子结构,然而,无论怎样组合,这些结构都带有不饱和价键或碳原子支链,其化学性质必然非常活泼,这与C60分子超常稳定的事实不符㊂绞尽脑汁之际,Kroto想起了1967年加拿大蒙特利尔万国博览会中美国展览馆的造型 由五边形和六边形拼成的半球形建筑穹顶(图1(a)),随后,Smalley便设计了一个模型(图1(b)),恰好搭出了60个顶点的完美对称球体结构㊂* **基金资助:莙政基金中国大学生见习研修计划(No.12016) E⁃mail:chenmeng@图1 蒙特利尔万国博览会美国馆外观(a )和C 60分子构型(b ) 更令人感到惊奇的是,这个C 60模型竟然与传统的足球相同,是由20个六边形和12个五边形拼接而成,每个五边形周围环绕5个六边形,每个六边形周围环绕6个五边形,形成有60个顶点的完美球体㊂为了纪念网格穹顶带给他们的灵感,他们最终决定以这位建筑师的名字巴克明斯特㊃富勒(Richard Buckminster Fuller)命名这个分子巴克明斯特富勒烯(Buckminster Fullerene)㊂1985年11月,一篇题为 C 60:Buckminster Fullerene”的论文发表在Nature 杂志上[3],引起学术界强烈反响㊂大多数科学家没有想到碳单质除了石墨㊁金刚石和无定型碳之外,还可以以第4种同素异形体的形态出现㊂而且,许多人对所谓 足球笼状分子”表示强烈的怀疑:仅凭一个质谱图上的尖峰,怎么能证明一个如此复杂美妙的分子结构?由于当时的合成技术还无法制备足量的样品用于其他光谱表征,Kroto,Smalley 和Curl 也就无法给出更多的证据说明这种结构的存在㊂所以,对于很多科学家来说,富勒烯仍是一个不切实际的幻想,许多质疑 足球分子”存在的文章也纷纷出炉㊂到了1989年,C 60的研究跌到了最低谷,全世界范围内相关研究文章数目仅有24篇㊂ 直至1990年,Huffman 和Kratschmer [4]在实验室合成了大量C 60和13C 60材料,并测定了C 60分子的确切结构㊂同年,Kroto [5]利用C 70的核磁共振谱线证实了富勒烯的封闭球形结构以及不同稳定性的富勒烯的存在㊂此后,世界范围内相关研究文章和专利数目呈现爆炸式增长㊂1991年,C 60被美国‘科学“杂志评为年度分子(the molecule of the year),Kroto,Smalley 和Curl 也因发现富勒烯而于1996年获诺贝尔化学奖,但此前发现吸收光谱类似于星际物质的微小碳粒的Huffman 和Kratschmer 却未能获此殊荣㊂ 富勒烯是一系列由纯碳组成的原子簇的总称㊂它们是由非平面的五元环㊁六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯烃㊂其中,C 60的分子结构为球形32面体,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个碳碳双键的球状空心对称分子㊂与石墨相似,C 60中每个碳原子与周围3个碳原子形成3个σ键㊂C 原子采取sp 2.28杂化,用3个杂化轨道形成σ键,每个C 原子剩下的一个轨道与球面成101.6°,形成离域π键,故具有芳香性㊂1.2 碳纳米管 人们普遍认为碳纳米管是由日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)于1991年发现的㊂其实,早在1952年,前苏联科学家Radushkevich 和Lukyanovich [6]就发现了直径50nm 的单壁碳纳米管的结构,只是没有得到应有关注㊂1976年,Oberlin,Endo 和Koyama [7]用化学气相生长技术得到纳米碳纤维㊂1987年,Howard G.Tennent 甚至申请了纳米碳管的专利㊂然而只有饭岛澄男细致地研究了富勒烯产品里的 垃圾”并发表了有关碳管的形貌㊁尺寸和形成机理等的文章㊂饭岛澄男的文章发表后迅即引起世人的关注,开启了碳纳米管研究的热潮,饭岛澄男本人也摘得了碳纳米管发现者的桂冠㊂当饭岛澄男回答质疑他是否是碳纳米管发现者的问题时,他只说了一句:发表一张图片并不是科学㊂94 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示 其实,饭岛澄男的研究初衷并不在于碳纳米管,此前,他一直致力于高分辨率电子显微技术的研究㊂高温超导领域的重大突破使饭岛澄男成为众多高温超导材料研究者中的一员,他希望能利用世界先进的电子显微技术发现超导材料的超导机制㊂他尝试了元素周期表中所有的金属和半导体元素,但却一无所获㊂此时,富勒烯结构及其存在打破了人们长期以来对碳单质的习惯性认知,而且,这种新型碳单质展现出良好的超导性质㊂饭岛澄男此时才发现,自己之前尝试的众多元素里并没有C㊂那么这种最为常见的元素单质是不是最终的答案呢?他重新燃起了对高温超导材料的热情,投入到富勒烯研究中㊂实际上,此前已有众多科学家尝试了大量合成方法,然而产品纯度并不高,得到的富勒烯产物中总是混有大量 杂质”㊂对于这些富勒烯的粗产品,其他科学家大多只是进行了除杂提纯㊂然而,饭岛澄男却对这些副产品产生了兴趣,还用电镜进行了观察㊂出乎意料的是,这些副产品中含有大量不同尺寸的管状结构,其形貌与富勒烯相去甚远㊂随后,饭岛澄男把相关研究结果发表在Nature 上[8],由此,碳纳米管正式走入人们的视野,并以其良好的物理学和化学性能吸引了多领域专家的极大关注,掀起了另一种碳纳米结构的研究热潮(图2)㊂图2摇扶手椅型和锯齿状碳纳米管以及弯曲部位碳环示意图 碳纳米管是一种径向尺寸较小的管状碳分子,其中单壁碳纳米管的直径通常仅有1~2nm,而其长度一般在微米量级,长径比大,是典型的一维纳米材料㊂管上的每个碳原子采取sp 2杂化,与周围3个碳原子之间以碳⁃碳σ键相结合,形成由六边形的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架㊂每个碳原子上未参与杂化的一对p 电子共同形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云㊂碳纳米管的弯曲部位由五边形和七边形的碳环组成㊂当六边形逐渐延伸出现五边形时,碳纳米管就会凸出;而七边形出现则会使其凹进㊂如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口(图2)[9]㊂1.3 石墨烯 2004年,石墨烯(一种仅有一层碳原子厚度的新型碳材料)在英国曼彻斯特大学的物理实验室诞生,并迅速轰动了科学界㊂为此,曼彻斯特大学的Andre K.Geim 和Konstantin Novoselov [10]获得2010年诺贝尔物理学奖㊂ 石墨烯是迄今已知的最薄最硬㊁导电性能最好的材料㊂这种神奇物质的结构非常简单,相当于单层石墨,即碳原子的二维平面排布(图3)㊂早在1918年,V.Kohlschütter 和P.Haenni 就提出了单层原子05大学化学第29卷 模型,并详细地描述了石墨氧化物纸(graphite oxide paper)的性质,20世纪40年代,P.R.Wallace 在理论上预测了石墨烯结构的导电性能㊂但是,在Geim 和Novoselov 成功制得石墨烯之前,它一直被认为是不可能完成的任务㊂1934年,Peierls 指出准二维晶体热力学不稳定,不能在非绝对零度下存在㊂1966年,Mermin 和Wagner 提出Mermin⁃Wagner 理论,指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏㊂因此碳原子平面结构一直都仅仅是一个理想模型,无法大量制备㊂而Geim 等人却利用了简单的机械剥离法制备出单层石墨烯:先用透明胶带在铅笔的铅芯表面粘贴㊁揭下石墨薄片,然后将胶带对折粘贴,再次撕开,使石墨薄片变薄,如此重复数十次,直到分离出单层或数层石墨烯为止㊂图3摇石墨烯结构 Geim 认为,在发展成熟的领域很难有新的突破;而开辟一个新的领域反而更容易得到有价值的结果㊂Geim 曾对碳纳米管研究产生浓厚兴趣,但他认为自己入门较晚,从事碳管研究难以达到先进水平,必须转换视角,寻求一个全新的方向㊂与此同时,他发现人们对石墨这种极为常见的物质关注不多,知之甚少,如果尝试去研究超薄石墨层的电子结构,或许能有所收获㊂ 最初,Geim 尝试使用打磨的方法得到石墨薄片,但是打磨到极限也只能得到10层原子厚度的产品㊂后来,他们无意中发现,研究组的技术员在搭建低温扫描隧道显微镜时,用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品㊂于是,他们另辟蹊径,利用简单的透明胶带分离石墨法得到了单层石墨烯材料㊂此前,许多科学家尝试过极为复杂的分离方法,却都未能制备出石墨烯薄膜㊂他们怎么也没想到,一卷透明胶带和一支铅笔,竟然创造了奇迹㊂石墨是若干碳原子平面平行堆叠而成,在同一平面内,相邻碳原子之间依靠共价键结合,十分牢固;而相邻平面之间依靠相对较弱的范德华力维系,很容易产生相对滑动,胶带粘结的力量就足以剥离不同石墨层,而石墨层内碳原子之间的共价键却不会受损㊂至此, 准二维晶体热力学不稳定”的说法也就不攻自破了[11]㊂2 启示与思考 3种碳纳米结构的发现历程蕴含着丰富的科学精神和探索方法,给科学工作者以宝贵的经验和启示㊂2.1 给偶然以机会 在科学史上,许多重大发现最初并非理性产物㊂C 60分子就是Kroto 等人在研究星际尘埃并成功合15 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示25大学化学第29卷 成氰基聚炔链状分子时意外发现的㊂其实,在此之前,已经有两个分子团簇研究小组观察到了C60的尖峰,但却没有进一步推断其分子结构,与唾手可得的伟大发现擦肩而过㊂Kroto等人没有单纯地将其解释为杂质,而是进行深入研究和探索,并作出大胆假设,完成了人类对碳单质认知的新突破㊂ 碳纳米管的发现更充满戏剧性㊂饭岛澄男在富勒烯发现之后,曾致力于其高温超导的研究㊂当时,众多科学家致力于制备高纯度富勒烯,但得到的产物总是混有大量副产品,饭岛澄男恰恰对这些副产品产生了兴趣㊂为什么富勒烯的收率总是不尽如人意呢?为什么副产品一次又一次出现?所有人都习惯了提纯和除杂,而饭岛却能够对人们熟视无睹的现象进行反思㊂当他把 杂质”拿到电镜下观察,竟然发现大量碳管,可谓 踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”㊂确实, 完美分子”富勒烯的魅力当然远大于试管上黑乎乎的杂质,而饭岛澄男的可贵之处就在于他对未知事物有强烈的求知欲㊂ 10多年之后,Geim也做出了令人拍案叫绝的工作㊂石墨烯的发现堪称一卷透明胶带创造的奇迹,他们的灵感来源只是Geim无意间看到实验室技术员用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品㊂在Geim 研究制备石墨烯的同时,哥伦比亚大学的Philip Kim教授也在尝试用原子力显微镜针尖在扫过石墨顶端时刮下几片石墨烯,然而他们的尝试并没有成功㊂最终,透明胶带完胜原子力显微镜㊂ 机遇无处不在,然而只有善于寻找和发现的眼睛才能看到机遇㊂在科学研究过程中,机遇为科学研究提供了宝贵的线索,推动了科技革命的进程㊂3种新型碳纳米材料的发现者都具备敏锐的观察力㊁丰富的想象力㊁坚韧的意志,能够及时发现和捕捉机遇㊂机遇是属于有准备的人的,正如贝弗里奇的‘科学研究的艺术“一书[12]中所说, 有时,机遇带给我们线索的重要性十分明显,但有时只是微不足道的小事,只有很有造诣的人,其思想满载着有关论据并已发展成熟适于作出发现,才能看到这些小事的意义所在㊂”2.2 科学探索是追求美的过程 人们在发现自然的和谐之美时,总会赞叹造物者的精妙㊂形似足球的外形图案,60个顶点的完美结构,富勒烯因其高度对称之美被誉为最完美的分子;碳纳米管作为一维纳米材料,长径比大,六边形结构连接完美,管身呈现圆管结构,轴向对称,具有高度均一性㊂在诸多科学领域, 对称”是一种最为基础的美学要素㊂很多化学分子有高度对称的结构,譬如苯环㊁冠醚㊁富勒烯等;而物理学领域中的守恒定律则反映了事物进程或物理规律的对称性㊂古希腊的毕达哥拉斯学派提出了和谐之美的概念, 一切立体图形最美的是球体,一切平面图形中最美的是圆形”㊂凯库勒得益于其早年对建筑学的研究,才建立了优美的正六边形对称的苯分子模型㊂而富勒烯的发现,也是源于薄壳拱顶建筑的高度对称设计;建筑的美学㊁团簇分子的结构㊁星际物质㊁足球的形状,在此奇妙地融为一体㊂ 物理之美,其最典型㊁最深刻之处,恰恰在于简洁㊂石墨烯的发现使得原子层面上的研究变得更加简单㊂仅有单原子层厚度的蜂窝型二维石墨烯是世界上已知的最薄㊁最坚硬的材料,由单层碳原子正六边形平铺而成㊂在石墨烯发现之前,原子层级的操控往往需要昂贵仪器和繁琐操作,而石墨烯制备简便㊁性质稳定,迄今为止,仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况,大大简化了相关研究㊂而Geim等人的胶带剥离法更是将 简洁”二字发挥到了极致,不需要任何昂贵仪器和分离试剂,即可获得有价值的产品㊂ 科学史学家J.W.N.Sullivan的一句话很好地概括了科学之美的奥义: 引导科学家的动力,归根结底是美学冲动的表示㊂”2.3 怀疑精神和创新意识是科学创造的基石 科学的怀疑精神就是要敢于挑战常识和权威㊂富勒烯发现之前,人们对碳单质的研究早已失去兴趣,谁也没有预料到,除了石墨和金刚石之外,竟然还存在其他的碳单质㊂而碳纳米管更是被许多科学家当作杂质除掉㊂没有挑战常识的勇气,科学是不可能发展的㊂其实,现代科学的诞生正是发扬怀疑精神的结果:科学的先驱们选择相信真理,率先质疑了神创论,推翻了时人赖以生存的心理支柱,才使得科学文明开始蓬勃发展㊂当然,仅仅具有怀疑精神是不够的,科学的怀疑精神必须建立在反复求证的基础上,即对各种主张用严密的逻辑进行分析,用大量的实验进行求证,全面㊁真实地反映客观存在规律㊂科学的先驱者之所以伟大,并不仅仅因为他们富于创新精神,不畏权威,不被常识所束缚,更是因为他们信奉真理,追求理性和实证㊂ 在科学发展的进程中,好奇心往往是许多重大发现的根源㊂科学既然着重于对未知事物的探求,那么一味模仿前人是不可取的;一个富于创新精神的科学家,就是能够站在全新的视角去看旧问题㊂Geim 并不是尝试制备石墨烯的第一人,在他之前,无数科学家做了大量工作,始终未能成功,继而认定制备石墨烯是不可能完成的任务㊂而Geim 从前人的无数失败中,看到了传统方法的局限性,这才有了胶带剥离法的奇妙创意㊂一个重大研究成果的发现,有时不一定如人们设想的那样艰难㊂当我们在一条路上历尽千辛万苦仍一无所获时,不妨回到原点,另辟蹊径,成功或许并不遥远㊂ 当然,科学研究的道路绝非一片通途,错误和曲折在所难免㊂我们在感叹前人思维的巧妙和简洁的同时,必须意识到在那一闪念的灵感之前,要历经无数失败,苦心钻研,殚精竭虑,才能捕捉到那偶然的火花㊂2.4 合作是科学研究的前提 正如英国实验物理学家查德威克(James Chadwick)所说,先进的科学知识通常是很多人的劳动成果㊂个体的认知能力是有限的,在现代科学的探索过程中,不同学科㊁不同专长㊁不同来历的科学家往往能够更为全面地发现问题的关键㊂Kroto 在研究星际物质中富含碳的尘埃时,对氰基聚炔链状分子产生了浓厚兴趣,但没有相应的仪器设备㊂后来,Kroto 赴美结识了莱斯大学研究原子簇化学的Smalley 教授,利用他们自行设计的激光超团簇发生器,才得到了一系列关键数据㊂Konstantin Novoselov 博士是Geim 教授的博士生及长期合作者,两人通力合作完成单层石墨烯的制备和研究并共享诺贝尔奖㊂不同领域㊁不同背景的科学家之间的相互合作,不同思维方式的相互融合,促成了一个又一个重大科学发现㊂ 总之,富勒烯㊁碳纳米管㊁石墨烯这3种新型碳纳米结构的陆续发现以及对其奇特物化性质的研究,打开了碳纳米科学的大门,触发了一个接一个的研究热点,引领着人们从自然科学的必然王国向自由王国跃进㊂参 考 文 献[1] Jones D E H.New Sci ,1966,32(245):1[2] Baggott J E.Perfect Symmetry:the Accidental Discovery of Buckminsterfullerene.New York:Oxford University Press,1994[3] Kroto H W,Heath J R,O′brien S C,et al.Nature ,1985,318(6042):162[4] Kratschmer W,Fostiropoulos K,Huffman D R.Chem Phys Lett ,1990,170(2⁃3):167[5] Taylor R,Hare J P,Abdulsada A K,et al.J Chem Soc ,Chem Commun ,1990(20):1423[6] Radushkevich L V,Lukyanovich V M.Z Fis Chim ,1952,26:88[7] Oberlin A,Endo M,Koyama T.J Cryst Growth ,1976,32(3):335[8] Iijima S.Nat Nanotechnol ,2007,2(10):590[9] Lau K T,Hui posites Part B ,2002,33(4):263[10] Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Science ,2004,306(5696):666[11] Geim A K.Rev Mod Phys ,2011,83(3):851[12] Beveridge W I B.The Art of Scientific Investigation.New York:Vintage Books,195035 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示。