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照亮21世纪的碳纳米材料-从富勒烯、碳纳米管到石墨烯
2018年08月27日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:2842
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七月,上市公司通产丽星(002243)的十天八涨停的壮举,打破了连续暴跌近一年A股市场的宁静。通产丽星因股价剧烈波动被深交所发函问询并停牌自查。热点的产生缘于通产丽星在互动平台回复投资者提问时称,公司已经成功具备富勒烯萃取、分离、富集、纯化技术,同时取得研发过程中一系列的专利。

 

作为资本市场的外行,我们对于通产丽星的前景不敢谬言,但是,上市公司在网络平台的一则回复便激起投资者的狂热,其原因与碳材料在人类发展史上的突出地位密不可分。


1 通产丽星(002243)十天八涨停后被深交所反复问询并停牌

 

碳材料见证人类历史

碳元素由于其独特的sp、sp2、sp3三种杂化形式而构成了丰富的碳材料世界,其应用与发展伴随了人类社会曲折而前进的发展历程。雷电引发的森林大火为人类带来了炭火,埋葬在地下深处的古代植物形成了煤炭,可以说,碳材料点亮了人类的历史。

 

如今在科技前沿,碳纳米材料开始大放异彩。零维的富勒烯、一维的碳纳米管到二维的石墨烯相继被发现,并逐渐发展成为最具潜力的纳米材料。我们有理由相信,碳纳米材料的广阔应用一旦实现,必将给我们的生活带来巨大的改变。

 

2 富勒烯、碳纳米管、石墨烯的发现历程

 

碳纳米材料的维度

为了进一步了解富勒烯、纳米管以及石墨烯,我们可以从其不同的维度入手。纳米材料的维度是依据其三个维度尺寸来划分的。

 

零维:就是在三个维度上尺寸都处于纳米级别的,如纳米颗粒。

一维:有两个维度上尺寸处于纳米级别,如纳米线,纳米带。

二维:一个维度上尺寸处于纳米级别,如石墨烯。

 

1 富勒烯、纳米管及石墨烯的特征及用途

 

零维

一维

二维

物质

富勒烯

纳米管

 

石墨烯

特征

低密度高硬度

非线性光学性质

强磁性

内嵌分子

强导电性

高强度高韧性

储氢能力

传热性

最薄的材料

最硬的材料

强导电性

超大比表面积

用途

超润滑材料

非线性光学材料

抗癌药物

护肤品

功能材料

储氢材料

纳米器件

电子器件

传感器

储能和新型显示领域

半导体材料

柔性材料

 

零维富勒烯

富勒烯是由碳组成的中空球型、椭球型、柱形或管状分子的总称,分子结构上有五元环、六元环以及七元环,其典型代表是C60,即我们俗知的足球烯。近年来,众多的富勒烯分子不断被发现,既有碳原子超过500的大分子富勒烯,也有低于40的小分子富勒烯,形成了一个成员多样的大家族。

 

3 诺贝尔奖得主,前英国皇家化学会主席,化学家Harry Kroto因发现富勒烯而与Robert Curl、Richard Smalley一同获得1996年的诺贝尔化学奖

(图片来源:http://www.mrzs.net/)

 

富勒烯与其它碳纳米材料相比,性能独特。其独特的分子笼结构,具有向外开放的面,而内部却是空的,这就有可能将其它物质引入到球体内部,显著地改变富勒烯分子的物化性质。

 

4 富勒烯独特的分子笼结构使其具有内嵌分子的功能

(图片来源:洛阳市科学技术协会)

 

此外,富勒烯优异的自由基捕捉、光吸收、导电性等性能使其在材料化学、超导与半导体物理、医疗美容、量子计算机工程等领域具有重要应用。例如,就化妆品领域而言,富勒烯具有明显的抗衰老作用,其抗氧化性是维生素的125倍。此外,富勒烯还是著名的“自由基杀手”。人体中,自由基是细胞凋亡的罪魁祸首,自由基对细胞损伤后,外观上表现为皱纹生成、色素沉积及皮肤发炎等。化妆品中通常通过添加非酶类(维他命C,beta胡萝卜素等)、酶类(SOD等)抗氧化物质,中和皮肤产生的自由基,使其失活,从而起到活化皮肤、延缓衰老的作用,而富勒烯分子对自由基的清除能力就像一块海绵一样,吸收力强而容量超大。目前,已经有多款护肤品牌使用富勒烯,如日本三菱商社旗下的VC60公司生产的水溶性富勒烯与油溶性富勒烯是目前唯一经过日本市场十多年考验的明星级化妆品。

 

一维纳米管

一维的碳纳米管,其径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,轴向尺寸比径向尺寸大得多。单壁碳纳米管是一种理想的一维结构,可以看作是一层石墨片卷曲而成的无缝中空管。

 

5 碳纳米管(图片来源:搜狐网)

 

碳纳米管重量轻,力学性能优良,弹性模量高,为普通钢材的3~5倍,接近金刚石,因此可以作为结构复合材料的增强剂,还可以作为功能增强剂填充到聚合物中;碳纳米管的化学性能稳定,可以用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒,还可以作为催化剂载体,其独特的管腔结构是择形催化的好场所。此外,一直以来,在微电子领域,碳纳米管都被认为是最有可能取代硅的材料之一,这源于它很多优于硅的天然属性。比如电子可以比硅晶体管更轻松地移动,实现更快速地数据传输;具备很好的强度和柔性,可以用来制造柔性显示器和电子设备,经得起拉伸和弯曲等特性。

 

二维石墨烯

石墨烯可以通俗地理解为“单层石墨片”,是构成石墨的基本结构单元,石墨烯富有可塑性,既可以卷曲成圆筒状,变成一维碳纳米管;也可以制成球状或椭球状,得到零维的富勒烯。

 

6 石墨烯作为基本结构单元,可构成富勒烯和纳米管示意图

(图片来源:Chemical functionalization of graphene and its applications)

 

石墨烯是真正的表面性固体,理想的单层石墨烯具有超大的比表面积,是目前世界上最薄但也是最坚韧的纳米导电材料,其每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,这赋予石墨烯良好的导电性。在室温下石墨烯传递电子的速率比普通的导电材料快得多,这为其在储能领域的应用奠定了基础。近年来人们对它在多个化学储能领域中的应用进行了研究,如储氢、超级电容器、锂离子电池、锂硫电池和锂-空气电池等。

 

石墨烯的出现,引发了其与碳纳米管前景与未来的争论。不过,纳米管为代表的一维材料在同二维材料的较量中往往处于劣势。以碳纳米管为例,单根碳纳米管可被视作一根具有高长径比的单晶,但目前的合成和组装技术还无法获得具有宏观尺寸的碳纳米管晶体,从而限制了碳纳米管的应用。石墨烯的优势在于本身即为二维晶体结构,具有几项破纪录的性能(强度、导电、导热),可实现大面积连续生长。 因此,石墨烯在构建器件时不必经历复杂的分离过程,比碳纳米管的实用性更强。

 

但是,纳米管和石墨烯究竟谁将成为新一代的半导体之王,鹿死谁手目前未可知。但可以明确的是,硅电子材料的发展已接近顶峰,碳纳米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更优良的电学性质,二者都可能共同成为构成集成电路的主导材料。

 

总结

三种低维碳纳米结构的陆续发现及其奇特物理化学性质的揭示,让很多人惊呼碳纳米时代的带来。碳纳米材料的巨大影响,也使得富勒烯、碳纳米管、石墨烯的发现者分别被授予1996年Nobel化学奖、2008年Kavli纳米科技奖(被誉为“纳米科技界的诺贝尔奖”)、2010Nobel物理奖。

 

总体而言,三种碳纳米材料在具有低密度高力学性能的同时,都拥有其独特的性质,例如富勒烯的内嵌分子功能、碳纳米管的储氢性能、石墨烯的超大比表面积。特别是二维石墨烯作为真正的表面性固体,其无愧于“最薄的材料”“最硬的材料”之称。石墨烯超大的比表面积,加上单层片结构赋予其独特的化学和电化学活性,使其能作为源头材料构建特定结构的碳基材料,从而实现功能材料纳米结构的设计和可控以及宏观制备。基于石墨烯片可控组装的薄膜材料、气凝胶等,无不实践着人类的各种组装企图。

 

截止目前,以Web of Science为检索工具,Graphene为关键词检索Web of Science核心合集得到数据显示,从石墨烯发现至今,SCI共收录164596篇关于石墨烯的论文,其近些年论文收录量如图7所示。由此看来,石墨烯无愧为当下最为火热的碳纳米材料。其还将在哪些领域大展身手,我们值得期待。

 

7 石墨烯SCI论文收录量

 

最后,科技的寻梦是一个永无止境的过程,在富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后,是否又会有新的碳同素异形体出现?碳纳米材料的应用又还会有哪些新的突破?没有人可以给出准确的答案。不过,可以确定的是,自富勒烯发现以来,上世纪末掀起的碳纳米材料研究热潮,必将使得其照亮整个21世纪。

 

参考文献

碳纳米复合材料的制备与应用;西南大学,向秀洮。

碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展;天津大学,关磊。

“梦想照进现实”-从富勒烯、碳纳米管到石墨烯;天津大学杨全红。

Chemical functionalization of graphene and its applications;Tapas Kuila, Saswata Bose, Ananta Kumar Mishra, Partha Khanra, Nam Hoon Kim, Joong Hee Lee。

 

By:火


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