石墨炔與石墨烯，誰是超級材料？

據(jù)報道，美國科羅拉多大學研究人員日前成功合成出石墨炔，此項成果或為電子、光學和半導體材料研究開辟全新的途徑。事實上，石墨炔的合成研究一直是科學家們孜孜以求的目標，早在2010年，我國的李玉良院士團隊就在世界上首次合成石墨炔。

我們很多人都聽說過大名鼎鼎的石墨烯，也知道2010年的諾貝爾物理學獎就是頒發(fā)給了石墨烯材料的研發(fā)者。石墨炔與石墨烯，僅一字之差，它們之間是否存在某種聯(lián)系？石墨炔是否能和石墨烯媲美？這里我們邀請中國科學院化學所博士孫藝旋來做一些科普介紹。

石墨炔GDY結構示意圖

21世紀是石墨烯的世紀

讓我們先從更早出世的石墨烯說起。

聽上去，石墨烯和石墨似乎有著某種聯(lián)系，事實也確實如此。石墨烯和石墨、金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)。它們都是碳家族的一員，互為同素異形體，含有碳元素但具有不同的排列方式，從而表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。

比如金剛石（鉆石的原身），它呈正四面體空間網(wǎng)狀立體結構，碳原子之間形成共價鍵；當切割或熔化時，需要克服碳原子之間的共價鍵，由于金剛石中所有的價電子都參與了共價鍵的形成，沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點極高，而且不導電。

石墨是片層狀結構，層內(nèi)碳原子排列成平面六邊形，每個碳原子以3個共價鍵與其它碳原子結合，而層與層之間的距離則比較大，層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。天然石墨耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導熱、導電性好，摩擦系數(shù)小。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會留下痕跡，正是這種松散堆砌的結果。

石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，可以說石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至幾十層的石墨烯。

換句話說，把石墨一層一層地剝下來就是石墨烯了。從力學性質(zhì)上說，石墨烯同石墨一樣，其各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩(wěn)定。

石墨烯分子結構片段

科學家已經(jīng)證實了石墨烯是目前世界上已知的強度最高的材料，比鉆石還堅硬，是世界上最硬的鋼鐵強度的100多倍。瑞典皇家科學院在頒發(fā)2010年諾貝爾物理學獎時曾這樣比喻：“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”。有人這樣引申說，由于石墨烯厚度只有單層原子，透光率高達97.7%，因此如果真有那樣的吊床，它不僅對于肉眼，甚至對于很多儀器來說都是不可見的，我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。

從熱電性質(zhì)上來說，在石墨烯的“二維世界”里，電子運動具有很奇特的性質(zhì)，即電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，其傳導速度可達光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。加上石墨烯結構在常溫下的高度完美性，使得電子的傳輸及對外場的反應都超級迅速，這使得石墨烯具有超常的導電性和導熱性。

而且更重要的是，石墨烯還可以用來制作晶體管，由于石墨烯結構的高度穩(wěn)定性，這種晶體管在接近單個原子的線度上依然能穩(wěn)定地工作。若是用石墨烯來替代硅生產(chǎn)超級計算機，計算機的運行速度將會比現(xiàn)在快數(shù)百倍。因此很多人相信，石墨烯將會成為硅的接班人，引領技術領域一個新的微縮時代的來臨。

除了具有超高的強度和韌性外，石墨烯幾乎是完全透明的，即使是最小的單分子原子（氦原子）也無法穿過，只吸收2.3%左右的光，還有不透水、不透氣以及抵御強酸、強堿的能力，這使它有可能成為制作保護膜的理想材料。石墨烯既能導電又高度透明的特點，使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，例如觸摸顯示屏、太陽能電池板的原料等。

研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新型儲能設備——微型石墨烯超級電容器。這種裝置的充電或放電速度比常規(guī)電池快100倍到1000倍，能在一分鐘內(nèi)給手機甚至是汽車充滿電。

正因如此，所以有人說，如果20世紀是硅的世紀，那么21世紀就是石墨烯的世紀。

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，在實驗中成功地從石墨中分離出石墨烯。2010年，兩人因此共同獲得了諾貝爾物理學獎。

“下一代奇跡材料”石墨炔

石墨烯已經(jīng)如此神奇了，那么石墨炔呢？它有什么不一樣的神奇之處嗎？

石墨炔和石墨烯一樣，也是只由碳原子構成，也是只有一層原子厚度的二維晶體。不同的地方在于，石墨烯的平面原子結構是六邊形，也稱為蜂巢晶格結構；而石墨炔的平面原子結構則能具有數(shù)種不同的二維結構，其理論上能以無數(shù)種形態(tài)存在，目前已經(jīng)至少有6種石墨炔異構體被報道。

6種不同的石墨炔異構體結構圖

正是因為擁有異構體結構，石墨炔具有某些獨特的電子傳導、力學和光學特性。此外，石墨炔還天生具有電荷載子，不像石墨烯需要額外摻雜，因此能作為制作電子元件所需的半導體材料。

早在1968年，理論化學家鮑曼就通過理論計算證實了石墨炔結構的存在。但要想在實際中合成制備出石墨炔，還面臨著很多巨大的困難。我們可以這樣理解，石墨烯的平面碳原子結構和石墨的單層平面碳原子結構畢竟是相同的，因此合成制備石墨烯還可以以石墨為抓手，而合成石墨炔的難度顯然是更大了。

科學家們一直在為此不懈努力。在2010年，中科院化學所李玉良院士團隊在石墨炔研究方面取得了重要突破，在世界上首次合成了石墨炔，開辟了碳材料的新領域。李玉良和他的團隊從20世紀90年代中期開始探索平面碳的合成化學研究。在石墨炔的合成中，他們從源頭的分子設計開始進行研究，漸漸地試著合成一些分子的片段。直到有一天在閱讀文獻的過程中，李玉良研究員突然聯(lián)想到了一種化學的方法有可能使石墨炔大面積成膜。他們在銅片表面上通過化學方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積（3.61平方厘米）碳的新的同素異形體——石墨炔薄膜。在這一過程中，銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長所需的定向聚合提供了大的平面基底。

今年5月9日發(fā)表在《自然·合成》上的研究論文，則在石墨炔合成制備上提供了一個新的途徑。此文通訊作者、科羅拉多大學波爾德分?；瘜W教授張偉和他的團隊，通過使用被稱為炔烴換位反應的有機反應過程中，在熱力學和動力學的控制下重新分割或切割和重組烷基化學鍵，也成功地制作出石墨炔。

石墨炔被譽為是最穩(wěn)定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由于其特殊的電子結構及類似硅的優(yōu)異半導體性能，石墨炔有望廣泛應用于電子、半導體領域。

鋰在石墨中的擴散方式是面內(nèi)擴散，也就是層間擴散。與石墨不同的是，石墨炔同時有二維平面結構和三維孔道結構，鋰在其中有面內(nèi)和面外兩種擴散方式，這使得石墨炔在鋰離子電池方面具有很好的應用潛力。石墨炔是一種理想的儲鋰材料，可以作為鋰離子電池的高能量密度存儲的負極材料?？茖W家也預測它在新能源領域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。

石墨炔這種材料或許還有一些你意想不到的神奇功能。據(jù)2020年發(fā)表在《科技日報》上的一則報道，山東理工大學低維光電材料與器件團隊發(fā)現(xiàn)，石墨炔具有優(yōu)異的紫外非線性特性，可以“恰到好處”地吸收紫外線。相關成果發(fā)表在國際知名期刊《納米尺度》上。所謂紫外非線性材料，就是能夠在紫外線強度比較低的情況下允許其通過，但若紫外線強度高于某一閾值，那么該材料就會神奇地將超額的紫外線阻擋住，形成對生物細胞的保護，從而使其成為理想的紫外防護材料。

英國《納米技術》雜志曾這樣評價：“石墨炔是未來最具潛力和商業(yè)價值的材料之一，它將在諸多領域得到廣泛的應用?！?/p>

在合成石墨炔領域，我國科學家有著開創(chuàng)性的成果。而要獲得大規(guī)模工業(yè)制備石墨炔的方法，還需要全球科學家們付出更多艱苦的努力，前景令人期待。

圖片來源：視覺中國