與碳家族親密接觸

昌盛

碳原子的世界是神奇的，它既可構(gòu)成最軟的礦物質(zhì)石墨，又能構(gòu)成自然界中最堅硬的物質(zhì)金剛石。自20世紀80年代以來，科學(xué)家對獲得碳的新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚興趣，基于這些結(jié)構(gòu)，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(guān)產(chǎn)品，進一步推動了社會的快速發(fā)展。

T-碳

前不久，我國科學(xué)家在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學(xué)物理學(xué)院蘇剛教授等人通過理論計算預(yù)言的一種三維碳結(jié)構(gòu)T-碳誕生，中外科學(xué)家聯(lián)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(jié)構(gòu)。

T-碳是一種蓬松的碳材料，內(nèi)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(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)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(xué)院大學(xué)物理學(xué)院的蘇剛教授指導(dǎo)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(jié)構(gòu)單元取代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結(jié)構(gòu)。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在幾何、能量以及動力學(xué)方面都極其穩(wěn)定，并把這種碳的新型同素異形體命名為T-碳。

業(yè)內(nèi)專家如此評價蘇剛教授等人的發(fā)現(xiàn)：“T-碳開啟了碳結(jié)構(gòu)研究的新紀元，將激發(fā)其他科學(xué)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(dǎo)熱性和導(dǎo)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(yōu)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(xué)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(xué)獎。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)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(fā)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(yōu)勢。如將石墨烯氧化物附著在特定毒素的類似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上，可產(chǎn)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(chǎn)業(yè)被納入國家戰(zhàn)略布局。《中國制造2025》選擇十大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)重點突破，在首個重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，石墨烯材料成為前沿材料的四大領(lǐng)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(nèi)嵌富勒烯產(chǎn)業(yè)。內(nèi)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(xué)的一個新型碳材料研究實驗室中，科學(xué)家正在研制內(nèi)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(zhì)量只有200微克，相當于一片雪花質(zhì)量的1/15或一根頭發(fā)質(zhì)量的1/3。

富勒烯于1985年首次被發(fā)現(xiàn)，是一種球形的碳納米結(jié)構(gòu)，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(zhì)的原子或簡單分子，如氮、磷和氦等。這些物質(zhì)不僅昂貴，而且當內(nèi)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。

目前，科學(xué)家正在研究將內(nèi)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(tǒng)。牛津大學(xué)的科學(xué)家希望未來可以利用內(nèi)嵌富勒烯制作出各種更加準時的設(shè)備。內(nèi)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(tǒng)設(shè)備整合在一起。

如果能實現(xiàn)上述設(shè)想，就能將GPS的精度提高到1毫米以內(nèi)。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。endprint