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

我們可以寫很多關于納米材料的例子——納米顆粒、量子點、納米線、納米纖維、超薄膜等等。
不過，元素碳就是一個典型的例子，它說明了一種“舊”材料如何通過納米技術獲得令人興奮的新生命。
碳是存在于所有有機生命中的非金屬固體元素，是有機化學的基礎。它具有一種有趣的化學性質(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(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。它們對科學家很有吸引力，因為它們顯示了碳材料的不尋常特性。富勒烯被研究用于潛在的醫(yī)學用途:它們是強抗氧化劑;
人們還可以將特定的抗生素與這種結(jié)構(gòu)結(jié)合，以針對耐藥細菌，甚至針對黑色素瘤等特定的癌細胞。
在機械工程中，富勒烯的耐熱性和超導性是研究得比較深入的一些性質(zhì)。富勒烯，有時被錯誤地稱為“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)異的機械和電子性能，是良好的導熱體。CNTs的抗拉強度或斷裂應變是鋼的6-7倍。
它們是已知的最堅硬和最強的纖維之一。CNTs可以是金屬的，也可以是半導體的，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，使得它們在增強復合材料、納米電子、傳感器和納米力學設備中具有巨大的應用潛力。
CNTs可以有一個或多個壁。單壁碳納米管具有不同于多壁碳納米管的電性能，是納米電子學應用的主要候選材料。一般來說，商業(yè)應用的發(fā)展相當緩慢，主要是因為生產(chǎn)質(zhì)量最好的納米管的成本仍然相對較高，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。現(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，物理學家一直認為平面石墨烯是不可能獨立存在的;傳統(tǒng)觀點認為，這樣的平面總是會卷起來的。科學家們?nèi)绱伺d奮的原因是二維晶體。它被稱為二維晶體，因為它只在二維中延伸——長度和寬度。
由于這種材料只有一個原子厚，所以它的三維、高度被認為是零，這就開創(chuàng)了一種全新的材料類別，具有新穎的電子、光學和機械性能。

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