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石墨烯與碳納米管:一樣的前生,不一樣的今世
發布時間:2010-10-08             瀏覽量: 12617 次

        2010104日,諾貝爾物理學獎揭曉,獲獎者是英國曼徹斯特大學物理和天文學院的Andre GeimKonstantin Novoselov,獲獎理由為“二維空間材料石墨烯(graphene)方面的開創性實驗”。從2004年石墨烯被成功剝離[1]2010年斬獲諾貝爾獎,是什么魔力讓這一看似“普通”的碳材料在短短的6年時間內締造了一個傳奇神話?而回眸看其同族兄弟碳納米管,自1991年被發現至今近20年,歷經風雨,幾經沉浮,不過是“為他人做嫁衣裳”。
    石墨烯即為“單層石墨片”,是構成石墨的基本結構單元;而碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結構(圖
1)。作為一維(1D)和二維(2D
)納米材料的代表者,二者在結構和性能上具有互補性。從結構上來看,碳納米管是碳的一維晶體結構;而石墨烯僅由單碳原子層構成,是真正意義上的二維晶體結構。從性能上來看,石墨烯具有可與碳納米管相媲美或更優異的特性,例如高電導率和熱導率、高載流子遷移率、自由的電子移動空間、高強度和剛度等。目前,關于碳納米管的研究,無論在制備技術、性能表征及應用探索等方面都已經達到了一定的深度和廣度。組成及結構上的緊密聯系,使二者在研究方法上具有許多相通之處。事實上,很多針對石墨烯的研究最開始都是受到碳納米管相關研究的啟發而開展起來的。


                            圖
1
石墨烯與碳納米管
    石墨烯的發展歷程與碳納米管極為類似。在碳納米管被發現之前,碳的晶體結構主要有三種:石墨、金剛石和富勒烯(以
C60為代表[2])。當時,對于碳纖維(已工業化應用)和碳納米纖維都已經有了很充分的研究;在碳納米管被發現[3]之后,人們開始關注碳納米管與碳納米纖維之間的異同。從表面上看,在晶體結構上,碳納米纖維的晶化程度相對較差,缺陷較多,石墨層片排列不連續,直徑較大,并不真正屬于碳的晶體結構,或者僅算是石墨的一種衍生物。如果單從這一點來看,碳納米管的出現似乎僅是碳納米纖維的一個延伸。因此,很有一些人并不把碳納米管的發現歸功于Sumio Iijima。事實上,碳納米管的發現意義體現在人類觀念的更新,標志著對碳晶體結構(甚至整個碳范式)有了更為深入的認識,是本質上邁進的一大步。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識碳納米管的性能奠定了堅實的實驗基礎。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(如化學氣相沉積法)。在一些早期研究中,對碳納米纖維和碳納米管的區分并不十分嚴格。對比石墨烯與碳納米管(圖2
),可顯見類似的發展軌跡。在石墨烯在實驗上被發現之前,一些微小石墨晶粒、晶須或石墨層片(層數較多)就已經被合成出來并被廣泛研究。膨脹石墨也是基于剝離石墨的理念,相關技術發展純熟,工業化應用已久。同單壁、雙壁、薄壁碳納米管之間的關系類似,除了嚴格意義上的石墨烯(單層)外,雙層和少數層石墨層片在結構和性能上也都明顯區別于塊體石墨,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展歷程
    雖然石墨烯與碳納米管有著類似的前生,卻很可能擁有不一樣的未來。原因有多方面,但最終可歸結為一維材料與二維材料之爭。納米線、納米管在同薄膜材料的較量中往往處于劣勢。以碳納米管為例,單根碳納米管可被視作一根具有高長徑比的單晶,但目前的合成和組裝技術還無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用。石墨烯的優勢在于本身即為二維晶體結構,可實現大面積連續生長,將
Bottom-upTop-down結合起來,未來應用前景光明。另外,石墨烯更受物理學家的青睞,是進行科學實驗、解決科學問題的理想平臺,這也是促成其本次獲獎的主要因素。碳納米管地位尷尬,不可能給物理獎,給個化學獎也不太像,何況已有C60
在先。
    后注:石墨烯作為石墨(及后來的碳納米管)的基本結構單元在理論上已被研究長達
60余年[4]。在GeimNovoselov的工作之前,薄層石墨已有多處報道。例如,Columbia UniversityPhilip Kim[5]University of Texas at AustinRodney Rouff[6](當時在Washington University
)都曾對石墨剝離薄層石墨片進行過研究,很可惜未得到單層石墨烯。
參考文獻:
[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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