碳納米材料：富勒烯、碳納米管和石墨烯
碳納米材料：富勒烯、碳納米管和石墨烯
我們可以寫很多關(guān)于納米材料的例子——納米顆粒、量子點(diǎn)、納米線、納米纖維、超薄膜等等。
不過，元素碳就是一個(gè)典型的例子，它說明了一種“舊”材料如何通過納米技術(shù)獲得令人興奮的新生命。
碳是存在于所有有機(jī)生命中的非金屬固體元素，是有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)。它具有一種有趣的化學(xué)性質(zhì)，能夠與自身和其他多種元素結(jié)合，形成近1000萬種已知化合物。
天然碳可以存在兩種完全不同的類型，眾所周知:石墨和金剛石。
1985年至2004年間發(fā)現(xiàn)的另外三種形式的碳引起了研究人員對(duì)碳納米材料的興趣——富勒烯、碳納米管，尤其是石墨烯
富勒烯
富勒烯是含有60個(gè)(C60)或更多碳原子的球形碳籠分子。它們的直徑約為0.7-1.5納米。它們對(duì)科學(xué)家很有吸引力，因?yàn)樗鼈冿@示了碳材料的不尋常特性。富勒烯被研究用于潛在的醫(yī)學(xué)用途:它們是強(qiáng)抗氧化劑;
人們還可以將特定的抗生素與這種結(jié)構(gòu)結(jié)合，以針對(duì)耐藥細(xì)菌，甚至針對(duì)黑色素瘤等特定的癌細(xì)胞。
在機(jī)械工程中，富勒烯的耐熱性和超導(dǎo)性是研究得比較深入的一些性質(zhì)。富勒烯，有時(shí)被錯(cuò)誤地稱為“新形式的碳”，已被發(fā)現(xiàn)存在于星際塵埃以及地球的地質(zhì)構(gòu)造中。
碳可以形成穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)，而不是石墨和鉆石，這一發(fā)現(xiàn)促使世界各地的研究人員尋找其他形式的碳。這導(dǎo)致了碳納米管(CNTs)的發(fā)現(xiàn)。它們與富勒烯類材料有很大的不同，具有不同的性質(zhì)。
碳納米管
碳納米管(CNTs)的直徑從單納米到幾十納米不等，長度為幾微米。它們具有優(yōu)異的機(jī)械和電子性能，是良好的導(dǎo)熱體。CNTs的抗拉強(qiáng)度或斷裂應(yīng)變是鋼的6-7倍。
它們是已知的最堅(jiān)硬和最強(qiáng)的纖維之一。CNTs可以是金屬的，也可以是半導(dǎo)體的，這取決于它們的結(jié)構(gòu)。
一些CNTs是有史以來最有效的導(dǎo)電體，而另一些則表現(xiàn)得更像硅。這些特性，加上碳納米管的輕量化，使得它們?cè)谠鰪?qiáng)復(fù)合材料、納米電子、傳感器和納米力學(xué)設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。
CNTs可以有一個(gè)或多個(gè)壁。單壁碳納米管具有不同于多壁碳納米管的電性能，是納米電子學(xué)應(yīng)用的主要候選材料。一般來說，商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展相當(dāng)緩慢，主要是因?yàn)樯a(chǎn)質(zhì)量最好的納米管的成本仍然相對(duì)較高，尤其是單壁納米管。
碳納米材料俱樂部的最新成員是石墨烯。
石墨烯
石墨烯是2004年才發(fā)現(xiàn)的一種單原子厚碳薄片?，F(xiàn)有形式的碳基本上是由石墨烯片構(gòu)成的，它們要么相互粘合，形成像鉛筆里的石墨那樣的固體材料，要么卷成碳納米管(把單壁碳納米管想象成石墨烯圓筒)，要么折疊成富勒烯。
長期以來，物理學(xué)家一直認(rèn)為平面石墨烯是不可能獨(dú)立存在的;傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這樣的平面總是會(huì)卷起來的?？茖W(xué)家們?nèi)绱伺d奮的原因是二維晶體。它被稱為二維晶體，因?yàn)樗辉诙S中延伸——長度和寬度。
由于這種材料只有一個(gè)原子厚，所以它的三維、高度被認(rèn)為是零，這就開創(chuàng)了一種全新的材料類別，具有新穎的電子、光學(xué)和機(jī)械性能。
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