七月，上市公司通產(chǎn)麗星（002243）的十天八漲停的壯舉，打破了連續(xù)暴跌近一年A股市場的寧靜。通產(chǎn)麗星因股價(jià)劇烈波動被深交所發(fā)函問詢并停牌自查。熱點(diǎn)的產(chǎn)生緣于通產(chǎn)麗星在互動平臺回復(fù)投資者提問時(shí)稱，公司已經(jīng)成功具備富勒烯萃取、分離、富集、純化技術(shù)，同時(shí)取得研發(fā)過程中一系列的專利。

作為資本市場的外行，我們對于通產(chǎn)麗星的前景不敢謬言，但是，上市公司在網(wǎng)絡(luò)平臺的一則回復(fù)便激起投資者的狂熱，其原因與碳材料在人類發(fā)展史上的突出地位密不可分。

圖1 通產(chǎn)麗星（002243）十天八漲停后被深交所反復(fù)問詢并停牌

碳材料見證人類歷史

碳元素由于其獨(dú)特的sp、sp2、sp3三種雜化形式而構(gòu)成了豐富的碳材料世界，其應(yīng)用與發(fā)展伴隨了人類社會曲折而前進(jìn)的發(fā)展歷程。雷電引發(fā)的森林大火為人類帶來了炭火，埋葬在地下深處的古代植物形成了煤炭，可以說，碳材料點(diǎn)亮了人類的歷史。

如今在科技前沿，碳納米材料開始大放異彩。零維的富勒烯、一維的碳納米管到二維的石墨烯相繼被發(fā)現(xiàn)，并逐漸發(fā)展成為最具潛力的納米材料。我們有理由相信，碳納米材料的廣闊應(yīng)用一旦實(shí)現(xiàn)，必將給我們的生活帶來巨大的改變。

圖2 富勒烯、碳納米管、石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷程

碳納米材料的維度

為了進(jìn)一步了解富勒烯、納米管以及石墨烯，我們可以從其不同的維度入手。納米材料的維度是依據(jù)其三個(gè)維度尺寸來劃分的。

零維：就是在三個(gè)維度上尺寸都處于納米級別的，如納米顆粒。

一維：有兩個(gè)維度上尺寸處于納米級別，如納米線，納米帶。

二維：一個(gè)維度上尺寸處于納米級別，如石墨烯。

表1 富勒烯、納米管及石墨烯的特征及用途

零維富勒烯

富勒烯是由碳組成的中空球型、橢球型、柱形或管狀分子的總稱，分子結(jié)構(gòu)上有五元環(huán)、六元環(huán)以及七元環(huán)，其典型代表是C60，即我們俗知的足球烯。近年來，眾多的富勒烯分子不斷被發(fā)現(xiàn)，既有碳原子超過500的大分子富勒烯，也有低于40的小分子富勒烯，形成了一個(gè)成員多樣的大家族。

圖3 諾貝爾獎(jiǎng)得主，前英國皇家化學(xué)會主席，化學(xué)家Harry Kroto因發(fā)現(xiàn)富勒烯而與Robert Curl、Richard Smalley一同獲得1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

（圖片來源：http://www.mrzs.net/）

富勒烯與其它碳納米材料相比，性能獨(dú)特。其獨(dú)特的分子籠結(jié)構(gòu)，具有向外開放的面，而內(nèi)部卻是空的，這就有可能將其它物質(zhì)引入到球體內(nèi)部，顯著地改變富勒烯分子的物化性質(zhì)。

圖4 富勒烯獨(dú)特的分子籠結(jié)構(gòu)使其具有內(nèi)嵌分子的功能

（圖片來源：洛陽市科學(xué)技術(shù)協(xié)會）

此外，富勒烯優(yōu)異的自由基捕捉、光吸收、導(dǎo)電性等性能使其在材料化學(xué)、超導(dǎo)與半導(dǎo)體物理、醫(yī)療美容、量子計(jì)算機(jī)工程等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。例如，就化妝品領(lǐng)域而言，富勒烯具有明顯的抗衰老作用，其抗氧化性是維生素的125倍。此外，富勒烯還是著名的“自由基殺手”。人體中，自由基是細(xì)胞凋亡的罪魁禍?zhǔn)祝杂苫鶎?xì)胞損傷后，外觀上表現(xiàn)為皺紋生成、色素沉積及皮膚發(fā)炎等。化妝品中通常通過添加非酶類（維他命C，beta胡蘿卜素等）、酶類（SOD等）抗氧化物質(zhì)，中和皮膚產(chǎn)生的自由基，使其失活，從而起到活化皮膚、延緩衰老的作用，而富勒烯分子對自由基的清除能力就像一塊海綿一樣，吸收力強(qiáng)而容量超大。目前，已經(jīng)有多款護(hù)膚品牌使用富勒烯，如日本三菱商社旗下的VC60公司生產(chǎn)的水溶性富勒烯與油溶性富勒烯是目前唯一經(jīng)過日本市場十多年考驗(yàn)的明星級化妝品。

一維納米管

一維的碳納米管，其徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，軸向尺寸比徑向尺寸大得多。單壁碳納米管是一種理想的一維結(jié)構(gòu)，可以看作是一層石墨片卷曲而成的無縫中空管。

圖5 碳納米管（圖片來源：搜狐網(wǎng)）

碳納米管重量輕，力學(xué)性能優(yōu)良，彈性模量高，為普通鋼材的3～5倍，接近金剛石，因此可以作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，還可以作為功能增強(qiáng)劑填充到聚合物中；碳納米管的化學(xué)性能穩(wěn)定，可以用于分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒，還可以作為催化劑載體，其獨(dú)特的管腔結(jié)構(gòu)是擇形催化的好場所。此外，一直以來，在微電子領(lǐng)域，碳納米管都被認(rèn)為是最有可能取代硅的材料之一，這源于它很多優(yōu)于硅的天然屬性。比如電子可以比硅晶體管更輕松地移動，實(shí)現(xiàn)更快速地?cái)?shù)據(jù)傳輸；具備很好的強(qiáng)度和柔性，可以用來制造柔性顯示器和電子設(shè)備，經(jīng)得起拉伸和彎曲等特性。

二維石墨烯

石墨烯可以通俗地理解為“單層石墨片”，是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元，石墨烯富有可塑性，既可以卷曲成圓筒狀，變成一維碳納米管；也可以制成球狀或橢球狀，得到零維的富勒烯。

圖6 石墨烯作為基本結(jié)構(gòu)單元，可構(gòu)成富勒烯和納米管示意圖

（圖片來源：Chemical functionalization of graphene and its applications）

石墨烯是真正的表面性固體，理想的單層石墨烯具有超大的比表面積，是目前世界上最薄但也是最堅(jiān)韌的納米導(dǎo)電材料，其每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，這賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。在室溫下石墨烯傳遞電子的速率比普通的導(dǎo)電材料快得多，這為其在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近年來人們對它在多個(gè)化學(xué)儲能領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，如儲氫、超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池和鋰-空氣電池等。

石墨烯的出現(xiàn)，引發(fā)了其與碳納米管前景與未來的爭論。不過，納米管為代表的一維材料在同二維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(shù)還無法獲得具有宏觀尺寸的碳納米管晶體，從而限制了碳納米管的應(yīng)用。石墨烯的優(yōu)勢在于本身即為二維晶體結(jié)構(gòu)，具有幾項(xiàng)破紀(jì)錄的性能（強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱），可實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)生長。 因此，石墨烯在構(gòu)建器件時(shí)不必經(jīng)歷復(fù)雜的分離過程，比碳納米管的實(shí)用性更強(qiáng)。

但是，納米管和石墨烯究竟誰將成為新一代的半導(dǎo)體之王，鹿死誰手目前未可知。但可以明確的是，硅電子材料的發(fā)展已接近頂峰，碳納米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，二者都可能共同成為構(gòu)成集成電路的主導(dǎo)材料。

總結(jié)

三種低維碳納米結(jié)構(gòu)的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)及其奇特物理化學(xué)性質(zhì)的揭示，讓很多人驚呼碳納米時(shí)代的帶來。碳納米材料的巨大影響，也使得富勒烯、碳納米管、石墨烯的發(fā)現(xiàn)者分別被授予1996年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)、2008年Kavli納米科技獎(jiǎng)（被譽(yù)為“納米科技界的諾貝爾獎(jiǎng)”）、2010Nobel物理獎(jiǎng)。

總體而言，三種碳納米材料在具有低密度高力學(xué)性能的同時(shí)，都擁有其獨(dú)特的性質(zhì)，例如富勒烯的內(nèi)嵌分子功能、碳納米管的儲氫性能、石墨烯的超大比表面積。特別是二維石墨烯作為真正的表面性固體，其無愧于“最薄的材料”“最硬的材料”之稱。石墨烯超大的比表面積，加上單層片結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的化學(xué)和電化學(xué)活性，使其能作為源頭材料構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)的碳基材料，從而實(shí)現(xiàn)功能材料納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可控以及宏觀制備。基于石墨烯片可控組裝的薄膜材料、氣凝膠等，無不實(shí)踐著人類的各種組裝企圖。

截止目前，以Web of Science為檢索工具，Graphene為關(guān)鍵詞檢索Web of Science核心合集得到數(shù)據(jù)顯示，從石墨烯發(fā)現(xiàn)至今，SCI共收錄164596篇關(guān)于石墨烯的論文，其近些年論文收錄量如圖7所示。由此看來，石墨烯無愧為當(dāng)下最為火熱的碳納米材料。其還將在哪些領(lǐng)域大展身手，我們值得期待。

圖7 石墨烯SCI論文收錄量

最后，科技的尋夢是一個(gè)永無止境的過程，在富勒烯、碳納米管和石墨烯之后，是否又會有新的碳同素異形體出現(xiàn)？碳納米材料的應(yīng)用又還會有哪些新的突破？沒有人可以給出準(zhǔn)確的答案。不過，可以確定的是，自富勒烯發(fā)現(xiàn)以來，上世紀(jì)末掀起的碳納米材料研究熱潮，必將使得其照亮整個(gè)21世紀(jì)。

參考文獻(xiàn)

碳納米復(fù)合材料的制備與應(yīng)用；西南大學(xué)，向秀洮。

碳納米管構(gòu)成的二維和三維碳納米材料的研究進(jìn)展；天津大學(xué)，關(guān)磊。

“夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”-從富勒烯、碳納米管到石墨烯；天津大學(xué)楊全紅。

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

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