與碳家族親密接觸

文昌盛/整理

碳原子的世界是神奇的，它既可構成最軟的礦物質石墨，又能構成自然界中最堅硬的物質金剛石。自20世紀80年代以來，科學家對獲得碳的新結構產生了濃厚興趣，基于這些結構，人們合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關產品，進一步推動了社會的快速發展。

T-碳

前不久，我國科學家在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學物理學院蘇剛教授等人通過理論計算預言的一種三維碳結構T-碳誕生，中外科學家聯合研究團隊成功合成了T-碳，從而使其成為可與石墨、金剛石比肩的碳的另外一種三維新結構。

T-碳是一種蓬松的碳材料，內部有很大的可利用空間，如果用作儲能材料，儲氫能力重量百分比將不低于7.7%。它在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領域擁有廣泛的應用前景。

T-碳還有一個特點，其密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的1/2。進一步的研究表明，T-碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外的行星中被觀測到。

2011年，中國科學院大學物理學院的蘇剛教授指導博士生勝獻雷等通過大量對比研究后提出，如果將立方金剛石中的每個碳原子用一個由四個碳原子組成的正四面體結構單元取代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發現這種結構在幾何、能量以及動力學方面都極其穩定，并把這種碳的新型同素異形體命名為T-碳。

業內專家如此評價蘇剛教授等人的發現：“T-碳開啟了碳結構研究的新紀元，將激發其他科學家進行廣泛的理論和實驗研究。”

石墨烯

石墨烯有著非同尋常的導熱性和導電性，自從被成功制造出來后就被科技界看好，被認為是一種顛覆性的全新材料。因其優異的特性，許多人認為21世紀將成為“石墨烯時代”。

2004年，曼徹斯特大學兩位研究員Andre Geim和Kostya Novoselov從石墨中分離出了石墨烯，這項成果使他們在2010年榮獲諾貝爾物理學獎。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，只有一個碳原子的厚度。鉛筆芯中的石墨相當于無數層石墨烯疊在一起，而碳納米管就是卷成了筒狀的石墨烯。

石墨烯是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，具有透明、導電性強、可彎折、機械強度好等特征，還能抵抗高壓。

有了石墨烯，人類就可以開發出太陽能電池或幾分鐘即可充滿電的手機電池。此外，石墨烯在檢測食品毒素、特定病毒和細菌等方面也擁有獨特的優勢。如將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似于蛋白質的結構上，可產生一個增強信號，以便高敏感傳感器檢測到毒素，其檢測能力相當于普通傳感器的10倍。

目前，石墨烯產業被納入國家戰略布局。《中國制造2025》選擇十大優勢和戰略產業實現重點突破，在首個重點領域技術路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領域之一。

富勒烯

如果你對未來充滿野心，可以考慮一下投身內嵌富勒烯產業。內嵌富勒烯是目前世界上最昂貴的材料之一。

在英國牛津大學的一個新型碳材料研究實驗室中，科學家正在研制內嵌富勒烯。不久前，他們剛剛將這種材料的第一份樣品以3.2萬美元的價格售出。這份樣品的質量只有200微克，相當于一片雪花質量的1/15或一根頭發質量的1/3。

富勒烯于1985年首次被發現，是一種球形的碳納米結構，由60個碳原子組成一個緊湊的富勒烯籠，里面包含非金屬單質的原子或簡單分子，如氮、磷和氦等。這些物質不僅昂貴，而且當內嵌氮原子時，它們還具有改變計時方式的潛力，因為它們的電子自旋壽命非常長。

英國牛津大學的研究者正在開發能用于原子鐘的內嵌富勒烯

富勒烯發現者Harry Kroto

目前，科學家正在研究將內嵌富勒烯用于原子鐘的可能性。原子鐘是世界上最守時的系統。牛津大學的科學家希望未來可以利用內嵌富勒烯制作出各種更加準時的設備。內嵌富勒烯有望大大縮小原子鐘的體積——從櫥柜般大小縮小到如同芯片——因此可以安裝到手機中或與全球定位系統設備整合在一起。

如果能實現上述設想，就能將GPS的精度提高到1毫米以內。這聽起來相當令人震撼，因為目前GPS的精度只有1米到5米。