说说碳单质家族的七十二变

编者按：碳是构成人体的重要元素之一，可以说是最熟悉的陌生人。熟悉是因为它看起来无处不在，铅笔中的碳棒、戒指上的钻石；而陌生是指越来越多“不明觉厉”的词跟碳都扯上了关系，比如富勒烯、石墨烯等等。

本文以维度作为切入点，简单梳理了碳的几种形式，小至日常生活、大至诺贝尔奖，轻松领略碳的神奇魅力。

作者 | 林梅

我们在中学学习过元素周期表，碳元素排在第六位，是自然界中分布十分广泛的元素之一。对于我们生物体来说，它占人体重量的18%，所以有些科幻小说开玩笑地将人类称作“碳基生物”；在人类探索化学材料的征程中，正是由于以碳为重要构成元素的有机化学出现，人类才建立了绚丽多彩的合成材料王国。

其实，哪怕不说碳的化合物，仅仅就说碳单质，都有很多种形貌迥异的变体，哦~化学老师管它们叫“同素异形体”。

碳单质的同素异形体有很多种，并且几乎涵盖了物质可以具备的各种性质。比如说吧，它可以是最坚硬的金刚石，也可能是柔软的石墨；它可以是良导体碳纳米管，也可能是绝缘体金刚石。更为神奇的是，它居然包括了从零维到三维的各种物质形态，也由此衍生出种种完全不同的形态、功能。

零维富勒烯

说到零维，大家可能跟小墨一样，也有点困惑。小墨去请教了科学家，科学家说，这是因为富勒烯分子长得像一个直径在纳米尺度的小足球，在物理上可以看做一个点，所以我们认为它是零维的。

其实，富勒烯也分各种各样的。其中，首先被发现的就是这种由60个碳原子组成的、包含20个六元环和12个五元环的足球状的分子，发现它的人因此获得了诺贝尔化学奖。

后来各种质量和尺寸的富勒烯、以及各种衍生物纷纷被制备出来。它们特有的光电性质正吸引着大量科学家和工业技术专家去研究并开发。

一维碳纳米管（carbon nantube, CNT）

比起富勒烯，碳纳米管的发现过程要曲折一些。在富勒烯分子被发现前后，碳纳米管就和科研人员打过照面，但是没有引起人们足够的重视，直到1991年，日本的Iijima在用电弧法制备富勒烯的过程中发现了阴极上的针状物质，碳纳米管才正式走入了人们的视野。

最初发现的碳纳米管是单壁的，只有一层，你可以想象它是一层石墨片卷成的空心圆柱。那么，碳原子和碳原子之间是靠什么力量，结合成这样一个漂亮的结构呢？秘密就在碳原子的电子中。电子就像是原子的手，原子之间通过电子“手拉手”结合成各种化学键，从而形成一个稳定的结构。而这些化学键呢，形态多种多样，对应着电子不同的分布，也就可能会产生各种特殊的性能，比如更好的导电性、导热性、更高的强度等等。

当然，碳纳米管的也有很多不同的形态，比如管的层数不同、编织方式和角度不同等等，这些都会导致电学、力学、光学性质千差万别。这些丰富多彩的性质吸引了人们的目光，人们想要加以利用，更好地为工业生产服务。

后来，人们还把碳纳米管玩出了“混搭风”，不仅把它做成纤维、编织成纱线、做成薄膜器件，还把它跟各种聚合物结合在一起，制成各种复合材料，取得了意想不到的效果。比如，有人将碳纳米管和环氧树脂混合，涂抹在玻璃纤维上，碳纳米管纤维在感受到应变的变化后，电阻也随之改变，这就是一个测量应变力的传感器。

二维石墨烯

石墨烯是由一层碳原子构成的二维材料。其实，石墨烯离我们并不遥远，它就悄悄“潜伏”在我们身边，只是我们一直没有注意到它。我们小时候用的铅笔，为什么能写出字呢？就是因为随着我们的书写，笔芯里的石墨被一片片剥离下来，剥离下来的薄片中的单层碳原子，就是石墨烯。

值得一提的是，人类第一次制备出单层石墨烯，还真是利用了类似的过程——英国Geim研究组利用日常使用的胶带，黏住一些大的石墨薄片后，在衬底表面反复地揭，最后找到一些完美的单层石墨烯，还观察到了部分特殊的电学性质，在后来斩获了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件

自此之后的短短几年间，大量的科研人员将兴趣转向了石墨烯，它优良的性质和其中可能蕴含的新的物理，引发了人们极大的好奇。

比如说，石墨烯的电子和能带结构非常神奇，它是一个零带隙的半导体，导带和价带之间是接触于一点的，也就是说，电子可以很轻易地在导带和价带之间切换，不必经过一个被禁止通行的“禁带”，所以性质与一般的半导体有非常大的差异。

单层石墨烯能带结构示意图

又比如，美国的PhilipKim实验室和Geim实验室同时独立地在石墨烯里发现了“半整数反常量子霍尔效应”，这意味着，石墨烯有新的物理内涵，电子或空穴在石墨烯体系中质量接近于零，小墨之前介绍过二维电子气，而石墨烯就是一种非常特殊的二维电子气。

随后，石墨烯更多的性质被挖掘，在力学上，它有强大的强度和弹性；电学上，它是目前已知室温下电阻率最低的材料；热学上，它沿平面方向优秀的热导能力有望被应用到热电器件中......

在近期的文章中，欢迎大家跟着小墨一起，走进石墨烯的世界，看看它和它的“兄弟姐妹”们是如何在各个方面大显神通，展示出神奇的魅力。

（看到这里，大家会问，碳单质有没有更高维的形态呢？当然有啦，那就是我们见怪不怪的石墨和金刚石啦。）

关于“墨子沙龙”

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