真“材”实学|碳家族最年轻成员-石墨烯

碳的同素异形体

碳是自然界的重要元素，也是构成有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的碳单质，也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构，属于天然矿石。碳的神奇之处体现在它可以借助不同的杂化方式（sp、sp2、sp3），构成具有不同物理和化学性质的晶体结构，即“同素异形体”。如石墨属于密排六方结构，金刚石属于立方结构。除此之外，碳材料还包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式，它们在不同的领域发挥着重要的作用。

“纳米碳氏家族”

下面我们简单回顾下“纳米碳氏家族”在历史舞台上的脚步。20世纪80年代，纳米材料与技术获得了极大发展。纳米碳材料也从这一时期进入历史舞台。

1985 年，“足球”结构的C60 一经发现即吸引了全世界的目光，Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同发现C60 并确认和证实其结构而获得1996 年诺贝尔化学奖。

在富勒烯研究推动下，1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司（NEC）的饭岛澄男博士发现，并获得2008年卡弗里纳米科学奖。

2004年石墨烯走入人们的视野。

石墨烯的发现

2010年诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈•盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁•诺沃肖罗夫（Konstantin Noveselov） “在二维石墨烯的开创性实验（”for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene“）“而获奖。从2004年石墨烯被发现至2010年斩获诺贝尔奖项，作为碳家族最年轻的成员，石墨烯究竟有何出彩之处呢？

石墨烯（Graphene）即“单层石墨片“，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂窝状晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯具有许多优异特性，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度等。石墨烯有单层、双层、多层之分。其中，单层石墨烯厚度约为0.334nm，大约是人的头发的1/100000。随着层数的变化，石墨烯的性能差异很大。

在2004年石墨烯问世以前，人们一度认为“单层石墨“是无法稳定存在的，石墨烯只是一种假象的结构。石墨烯的出现，使碳的晶体构型形成了包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯和金刚石在内的完整体系，建立了从零维到三维的碳范式。而石墨烯与各种碳材料有着千丝万缕的联系。我们将在下期具体讲解石墨烯与石墨、碳纳米管的关系。