碳單質家族的七十二變

作者 | 林梅

我們在中學學習過元素周期表，碳元素排在第六位，是自然界中分布十分廣泛的元素之一。對于我們生物體來說，它占人體重量的18%，所以有些科幻小說開玩笑地將人類稱作“碳基生物”；在人類探索化學材料的征程中，正是由于以碳為重要構成元素的有機化學出現，人類才建立了絢麗多彩的合成材料王國。

其實，哪怕不說碳的化合物，僅僅就說碳單質，都有很多種形貌迥異的變體，哦~化學老師管它們叫“同素異形體”。

碳單質的同素異形體有很多種，并且幾乎涵蓋了物質可以具備的各種性質。比如說吧，它可以是最堅硬的金剛石，也可能是柔軟的石墨；它可以是良導體碳納米管，也可能是絕緣體金剛石。更為神奇的是，它居然包括了從零維到三維的各種物質形態，也由此衍生出種種完全不同的形態、功能。

說到零維，大家可能跟小墨一樣，也有點困惑。小墨去請教了科學家，科學家說，這是因為富勒烯分子長得像一個直徑在納米尺度的小足球，在物理上可以看做一個點，所以我們認為它是零維的。

其實，富勒烯也分各種各樣的。其中，首先被發現的就是這種由60個碳原子組成的、包含20個六元環和12個五元環的足球狀的分子，發現它的人因此獲得了諾貝爾化學獎。

后來各種質量和尺寸的富勒烯、以及各種衍生物紛紛被制備出來。它們特有的光電性質正吸引著大量科學家和工業技術專家去研究并開發。

比起富勒烯，碳納米管的發現過程要曲折一些。在富勒烯分子被發現前后，碳納米管就和科研人員打過照面，但是沒有引起人們足夠的重視，直到1991年，日本的Iijima在用電弧法制備富勒烯的過程中發現了陰極上的針狀物質，碳納米管才正式走入了人們的視野。

最初發現的碳納米管是單壁的，只有一層，你可以想象它是一層石墨片卷成的空心圓柱。那么，碳原子和碳原子之間是靠什么力量，結合成這樣一個漂亮的結構呢？秘密就在碳原子的電子中。電子就像是原子的手，原子之間通過電子“手拉手”結合成各種化學鍵，從而形成一個穩定的結構。而這些化學鍵呢，形態多種多樣，對應著電子不同的分布，也就可能會產生各種特殊的性能，比如更好的導電性、導熱性、更高的強度等等。

當然，碳納米管的也有很多不同的形態，比如管的層數不同、編織方式和角度不同等等，這些都會導致電學、力學、光學性質千差萬別。這些豐富多彩的性質吸引了人們的目光，人們想要加以利用，更好地為工業生產服務。

后來，人們還把碳納米管玩出了“混搭風”，不僅把它做成纖維、編織成紗線、做成薄膜器件，還把它跟各種聚合物結合在一起，制成各種復合材料，取得了意想不到的效果。比如，有人將碳納米管和環氧樹脂混合，涂抹在玻璃纖維上，碳納米管纖維在感受到應變的變化后，電阻也隨之改變，這就是一個測量應變力的傳感器。

石墨烯是由一層碳原子構成的二維材料。其實，石墨烯離我們并不遙遠，它就悄悄“潛伏”在我們身邊，只是我們一直沒有注意到它。我們小時候用的鉛筆，為什么能寫出字呢？就是因為隨著我們的書寫，筆芯里的石墨被一片片剝離下來，剝離下來的薄片中的單層碳原子，就是石墨烯。

值得一提的是，人類第一次制備出單層石墨烯，還真是利用了類似的過程——英國Geim研究組利用日常使用的膠帶，黏住一些大的石墨薄片后，在襯底表面反復地揭，最后找到一些完美的單層石墨烯，還觀察到了部分特殊的電學性質，在后來斬獲了2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是構成碳元素其他幾種重要同素異形體的基本組件

自此之后的短短幾年間，大量的科研人員將興趣轉向了石墨烯，它優良的性質和其中可能蘊含的新的物理，引發了人們極大的好奇。

比如說，石墨烯的電子和能帶結構非常神奇，它是一個零帶隙的半導體，導帶和價帶之間是接觸于一點的，也就是說，電子可以很輕易地在導帶和價帶之間切換，不必經過一個被禁止通行的“禁帶”，所以性質與一般的半導體有非常大的差異。

單層石墨烯能帶結構示意圖

又比如，美國的PhilipKim實驗室和Geim實驗室同時獨立地在石墨烯里發現了“半整數反常量子霍爾效應”，這意味著，石墨烯有新的物理內涵，電子或空穴在石墨烯體系中質量接近于零，小墨之前介紹過二維電子氣，而石墨烯就是一種非常特殊的二維電子氣。

隨后，石墨烯更多的性質被挖掘，在力學上，它有強大的強度和彈性；電學上，它是目前已知室溫下電阻率最低的材料；熱學上，它沿平面方向優秀的熱導能力有望被應用到熱電器件中......

在近期的文章中，歡迎大家跟著小墨一起，走進石墨烯的世界，看看它和它的“兄弟姐妹”們是如何在各個方面大顯神通，展示出神奇的魅力。

（看到這里，大家會問，碳單質有沒有更高維的形態呢？當然有啦，那就是我們見怪不怪的石墨和金剛石啦。）