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石墨烯與碳納米管:一樣的前生,不一樣的今世

??????? 2010104日,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉,獲獎(jiǎng)?wù)呤怯?guó)曼徹斯特大學(xué)物理和天文學(xué)院的Andre GeimKonstantin Novoselov,獲獎(jiǎng)理由為“二維空間材料石墨烯(graphene)方面的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”。從2004年石墨烯被成功剝離[1]2010年斬獲諾貝爾獎(jiǎng),是什么魔力讓這一看似“普通”的碳材料在短短的6年時(shí)間內(nèi)締造了一個(gè)傳奇神話?而回眸看其同族兄弟碳納米管,自1991年被發(fā)現(xiàn)至今近20年,歷經(jīng)風(fēng)雨,幾經(jīng)沉浮,不過(guò)是“為他人做嫁衣裳”。
??? 石墨烯即為“單層石墨片”,是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元;而碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)(圖
1)。作為一維(1D)和二維(2D
)納米材料的代表者,二者在結(jié)構(gòu)和性能上具有互補(bǔ)性。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,碳納米管是碳的一維晶體結(jié)構(gòu);而石墨烯僅由單碳原子層構(gòu)成,是真正意義上的二維晶體結(jié)構(gòu)。從性能上來(lái)看,石墨烯具有可與碳納米管相媲美或更優(yōu)異的特性,例如高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、高載流子遷移率、自由的電子移動(dòng)空間、高強(qiáng)度和剛度等。目前,關(guān)于碳納米管的研究,無(wú)論在制備技術(shù)、性能表征及應(yīng)用探索等方面都已經(jīng)達(dá)到了一定的深度和廣度。組成及結(jié)構(gòu)上的緊密聯(lián)系,使二者在研究方法上具有許多相通之處。事實(shí)上,很多針對(duì)石墨烯的研究最開(kāi)始都是受到碳納米管相關(guān)研究的啟發(fā)而開(kāi)展起來(lái)的。


??????????????????????????? 圖
1
石墨烯與碳納米管
??? 石墨烯的發(fā)展歷程與碳納米管極為類(lèi)似。在碳納米管被發(fā)現(xiàn)之前,碳的晶體結(jié)構(gòu)主要有三種:石墨、金剛石和富勒烯(以
C60為代表[2])。當(dāng)時(shí),對(duì)于碳纖維(已工業(yè)化應(yīng)用)和碳納米纖維都已經(jīng)有了很充分的研究;在碳納米管被發(fā)現(xiàn)[3]之后,人們開(kāi)始關(guān)注碳納米管與碳納米纖維之間的異同。從表面上看,在晶體結(jié)構(gòu)上,碳納米纖維的晶化程度相對(duì)較差,缺陷較多,石墨層片排列不連續(xù),直徑較大,并不真正屬于碳的晶體結(jié)構(gòu),或者僅算是石墨的一種衍生物。如果單從這一點(diǎn)來(lái)看,碳納米管的出現(xiàn)似乎僅是碳納米纖維的一個(gè)延伸。因此,很有一些人并不把碳納米管的發(fā)現(xiàn)歸功于Sumio Iijima。事實(shí)上,碳納米管的發(fā)現(xiàn)意義體現(xiàn)在人類(lèi)觀念的更新,標(biāo)志著對(duì)碳晶體結(jié)構(gòu)(甚至整個(gè)碳范式)有了更為深入的認(rèn)識(shí),是本質(zhì)上邁進(jìn)的一大步。尤其是單壁碳納米管、雙壁和薄壁碳納米管的可控合成為充分認(rèn)識(shí)碳納米管的性能奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。值得一提的是,一些制備碳納米管的方法大都借鑒自碳納米纖維(如化學(xué)氣相沉積法)。在一些早期研究中,對(duì)碳納米纖維和碳納米管的區(qū)分并不十分嚴(yán)格。對(duì)比石墨烯與碳納米管(圖2
),可顯見(jiàn)類(lèi)似的發(fā)展軌跡。在石墨烯在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)之前,一些微小石墨晶粒、晶須或石墨層片(層數(shù)較多)就已經(jīng)被合成出來(lái)并被廣泛研究。膨脹石墨也是基于剝離石墨的理念,相關(guān)技術(shù)發(fā)展純熟,工業(yè)化應(yīng)用已久。同單壁、雙壁、薄壁碳納米管之間的關(guān)系類(lèi)似,除了嚴(yán)格意義上的石墨烯(單層)外,雙層和少數(shù)層石墨層片在結(jié)構(gòu)和性能上也都明顯區(qū)別于塊體石墨,在廣義上也被歸為石墨烯的范疇。


???????????????????????? 圖
2
石墨烯與碳納米管的發(fā)展歷程
??? 雖然石墨烯與碳納米管有著類(lèi)似的前生,卻很可能擁有不一樣的未來(lái)。原因有多方面,但最終可歸結(jié)為一維材料與二維材料之爭(zhēng)。納米線、納米管在同薄膜材料的較量中往往處于劣勢(shì)。以碳納米管為例,單根碳納米管可被視作一根具有高長(zhǎng)徑比的單晶,但目前的合成和組裝技術(shù)還無(wú)法獲得具有宏觀尺寸的碳納米管晶體(將在后文中詳述),從而限制了碳納米管的應(yīng)用。石墨烯的優(yōu)勢(shì)在于本身即為二維晶體結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)生長(zhǎng),將
Bottom-upTop-down結(jié)合起來(lái),未來(lái)應(yīng)用前景光明。另外,石墨烯更受物理學(xué)家的青睞,是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、解決科學(xué)問(wèn)題的理想平臺(tái),這也是促成其本次獲獎(jiǎng)的主要因素。碳納米管地位尷尬,不可能給物理獎(jiǎng),給個(gè)化學(xué)獎(jiǎng)也不太像,何況已有C60
在先。
??? 后注:石墨烯作為石墨(及后來(lái)的碳納米管)的基本結(jié)構(gòu)單元在理論上已被研究長(zhǎng)達(dá)
60余年[4]。在GeimNovoselov的工作之前,薄層石墨已有多處報(bào)道。例如,Columbia UniversityPhilip Kim[5]University of Texas at AustinRodney Rouff[6](當(dāng)時(shí)在Washington University
)都曾對(duì)石墨剝離薄層石墨片進(jìn)行過(guò)研究,很可惜未得到單層石墨烯。
參考文獻(xiàn):
[1] K. S.Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666.
[2] H. W. Kroto, et al. Nature, 1985, 318, 162.
[3] S. Iijima. Nature, 1991, 354, 56.
[4] P. R. Wallace. Physical Review, 1947, 71, 622.
[5] A. K. Geim, P. Kim. Scientific American, 2008, 4, 90.
[6] X. K. Lu, et al. Nanotechnology, 1999, 10, 269; Applied Physics Letters, 1999, 75, 193.

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