淺談大學物理中的譜學教學

盧寧 郭宏艷

【摘要】目前的教材中，主要以一些傳統材料為例，來闡述一般的譜學研究方法的原理?？紤]到目前材料的發展日新月異，適當增加一些前沿新的材料為例，對于教學也有重要的意義。本文簡要闡述核磁共振譜對新型的二維納米材料石墨烯氧化物的結構研究的研究進展。

【關鍵詞】光譜 ?核磁共振譜 ?石墨烯氧化物

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）05-0159-01

在大學物理中，我們已經學習了各種譜學研究方法，包括掃描隧道顯微譜、 紅外光譜、拉曼譜、光吸收譜、核磁共振、X射線光電子能譜等。這些方法對我們研究物質的結構具有非常重要的意義。而目前的教材中，主要以一些傳統的材料為例，來闡述這些方法的原理及應用。但是考慮到目前材料的發展日新月異，適當的增加一些前沿新的材料為例，對于教學也有重要的意義。

這里我們將以新型的二維納米材料石墨烯氧化物為例，通過實驗與理論相結合的核磁共振譜對其的結構研究，簡要的介紹光譜學方法對其結構的研究進展。

作為二維納米材料的代表，石墨烯，即單層石墨，展示了許多獨特物理化學性質，其電子是無質量的相對論性Dirac費米子，因此其速度與能量無關（約為光速的1/300），具有很高的載流子遷移率[1]。此外，石墨烯在室溫下即可觀察到量子霍爾效應[2]。這些獨特的性質使石墨烯不僅在理論上是重要的原型體系，在應用上也有很大的潛力，并已經得到了廣泛的研究，對石墨烯的研究具有重大貢獻的英國曼徹斯特兩位教授Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 也獲得了2010年的諾貝爾獎。石墨烯的大規模制備制約了其進一步應用，利用還原石墨烯氧化物為大規模制備石墨烯提供了可行的途徑[3]。石墨烯氧化物的制備方法簡單，通過強酸和強氧化劑來氧化石墨即可制得。石墨層的間距是3.6埃，氧化過后，石墨烯氧化物的層間距可以到7-10埃，從而很容易讓層與層間脫離。進而通過還原的方式來制備石墨烯。

但一直以來實驗上關于石墨烯氧化物的結構存在一定的分歧，基于核磁共振實驗提出的勒夫模型被廣泛認同[4]。環氧和羥基被認為是在石墨烯氧化物表面的主要基團，一些羧基和羰基被認為在邊緣。但是2006年Dekany根據漫反射傅里葉變換紅外譜的測量提出了狄凱尼模型，認為環己烷鏈接的條帶組成石墨烯氧化物的主要結構。并且利用第一性原理的能量計算，一些更為詳細的石墨烯氧化物的模型也被提出來了，這其中羥基鏈結構由于具有相連的氫鍵，被認為能夠很好的降低體系的能量，而廣泛存大于各種石墨烯氧化物的理論模型中。

在石墨烯氧化物的13C NMR光譜中，主要存在三大共振峰，位置分別在60，70，和130 ppm。實驗上通過一系列的反應表明，60 ppm的峰主要來自于環氧基團貢獻，70 ppm峰則主要來自羥基的貢獻，而130 ppm的峰被分配到未被氧化的芳香性的碳。最新實驗上成功的合成100% 13C標記的二維固態核磁共振，進一步提供了羥基與環氧基以及sp2碳相鄰的直接證據。

總的來說，核磁共振光譜數據的實驗結果一般是可靠的，但是為了更精細的得到石墨烯氧化物的一般結構并解決目前研究中存在的分歧，需要相應的理論模擬來與實驗相互驗證及補充。計算核磁共振譜研究發現環氧化物和羥基的化學位移對周圍的化學環境非常敏感。孤立的環氧化物具有化學位移約70 ppm，但當其周圍有羥基時，在大多數情況下，其化學位移約60 ppm，與實驗值吻合。并且驗證了實驗上環氧化物與羥基的親近性。當兩個羥基的形成1，2-對，他們有一個穩定的化學位移約70 ppm。然而，當羥基連成一線，由于較強氫鍵的拉伸作用，所得到的羥基的化學位移與實驗值相比往往會更高。因此，預計在真實的石墨烯氧化物中能量上穩定的羥基鏈結構并不廣泛存在。

本文以核磁共振譜為對石墨烯氧化物的結構研究為例。簡要的介紹這些光譜學方法對其結構的研究進展，包括實驗光譜與理論計算光譜相結合。一方面可以讓同學們看到譜學研究對確定物質結構的重要作用，進一步加深對譜學的理解。另一方面，可以讓同學們接觸到目前的熱門二維新型納米材料，對擴大知識面，并且學會查找及閱讀文獻，了解科學發展前沿，這對激發學習興趣以及未來的發展也具有重要的作用。從而對培養學生科學研究中的理論與實驗相結合的一般科學研究方法具有重要的意義。

參考文獻：

[1]Novoselov， K. S. et al.， Nature， 2005，（438）：197-200.

[2]Zhang， Y. B. et al.， Nature， 2005，（438）：201-204.

[3]Stankovich， S. et al.， Nature， 2006，（442）：282-286.

[4]He， H. et al.， J. Phys. Chem.， 1996，（100）：19954-19958.