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

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

圖1 通產麗星（002243）十天八漲停后被深交所反復問詢并停牌

碳材料見證人類歷史

碳元素由于其獨特的sp、sp2、sp3三種雜化形式而構成了豐富的碳材料世界，其應用與發展伴隨了人類社會曲折而前進的發展歷程。雷電引發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現，并逐漸發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用一旦實現，必將給我們的生活帶來巨大的改變。

圖2 富勒烯、碳納米管、石墨烯的發現歷程

碳納米材料的維度

為了進一步了解富勒烯、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其三個維度尺寸來劃分的。

零維：就是在三個維度上尺寸都處于納米級別的，如納米顆粒。

一維：有兩個維度上尺寸處于納米級別，如納米線，納米帶。

二維：一個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，分子結構上有五元環、六元環以及七元環，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現，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，形成了一個成員多樣的大家族。

圖3 諾貝爾獎得主，前英國皇家化學會主席，化學家Harry Kroto因發現富勒烯而與Robert Curl、Richard Smalley一同獲得1996年的諾貝爾化學獎

（圖片來源：http://www.mrzs.net/）

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

圖4 富勒烯獨特的分子籠結構使其具有內嵌分子的功能

（圖片來源：洛陽市科學技術協會）

此外，富勒烯優異的自由基捕捉、光吸收、導電性等性能使其在材料化學、超導與半導體物理、醫療美容、量子計算機工程等領域具有重要應用。例如，就化妝品領域而言，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，自由基是細胞凋亡的罪魁禍首，自由基對細胞損傷后，外觀上表現為皺紋生成、色素沉積及皮膚發炎等。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，中和皮膚產生的自由基，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，吸收力強而容量超大。目前，已經有多款護膚品牌使用富勒烯，如日本三菱商社旗下的VC60公司生產的水溶性富勒烯與油溶性富勒烯是目前唯一經過日本市場十多年考驗的明星級化妝品。

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構，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）

碳納米管重量輕，力學性能優良，彈性模量高，為普通鋼材的3～5倍，接近金剛石，因此可以作為結構復合材料的增強劑，還可以作為功能增強劑填充到聚合物中；碳納米管的化學性能穩定，可以用于分散和穩定納米級的金屬小顆粒，還可以作為催化劑載體，其獨特的管腔結構是擇形催化的好場所。此外，一直以來，在微電子領域，碳納米管都被認為是最有可能取代硅的材料之一，這源于它很多優于硅的天然屬性。比如電子可以比硅晶體管更輕松地移動，實現更快速地數據傳輸；具備很好的強度和柔性，可以用來制造柔性顯示器和電子設備，經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”，是構成石墨的基本結構單元，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 石墨烯作為基本結構單元，可構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韌的納米導電材料，其每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個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電性。在室溫下石墨烯傳遞電子的速率比普通的導電材料快得多，這為其在儲能領域的應用奠定了基礎。近年來人們對它在多個化學儲能領域中的應用進行了研究，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，引發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用。石墨烯的優勢在于本身即為二維晶體結構，具有幾項破紀錄的性能（強度、導電、導熱），可實現大面積連續生長。 因此，石墨烯在構建器件時不必經歷復雜的分離過程，比碳納米管的實用性更強。

但是，納米管和石墨烯究竟誰將成為新一代的半導體之王，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良的電學性質，二者都可能共同成為構成集成電路的主導材料。

總結

三種低維碳納米結構的陸續發現及其奇特物理化學性質的揭示，讓很多人驚呼碳納米時代的帶來。碳納米材料的巨大影響，也使得富勒烯、碳納米管、石墨烯的發現者分別被授予1996年Nobel化學獎、2008年Kavli納米科技獎（被譽為“納米科技界的諾貝爾獎”）、2010Nobel物理獎。

總體而言，三種碳納米材料在具有低密度高力學性能的同時，都擁有其獨特的性質，例如富勒烯的內嵌分子功能、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，加上單層片結構賦予其獨特的化學和電化學活性，使其能作為源頭材料構建特定結構的碳基材料，從而實現功能材料納米結構的設計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為關鍵詞檢索Web of Science核心合集得到數據顯示，從石墨烯發現至今，SCI共收錄164596篇關于石墨烯的論文，其近些年論文收錄量如圖7所示。由此看來，石墨烯無愧為當下最為火熱的碳納米材料。其還將在哪些領域大展身手，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？碳納米材料的應用又還會有哪些新的突破？沒有人可以給出準確的答案。不過，可以確定的是，自富勒烯發現以來，上世紀末掀起的碳納米材料研究熱潮，必將使得其照亮整個21世紀。

參考文獻

碳納米復合材料的制備與應用；西南大學，向秀洮。

碳納米管構成的二維和三維碳納米材料的研究進展；天津大學，關磊。

“夢想照進現實”-從富勒烯、碳納米管到石墨烯；天津大學楊全紅。

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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