隨著2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了石墨烯的發(fā)明者 --兩位英國(guó)物理學(xué)家安德烈和康斯坦丁，一時(shí)間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成為了越來(lái)越多科學(xué)家選擇的材料。

同樣是2010年，中科院化學(xué)所的研究人員經(jīng)過(guò)潛心研究發(fā)明了碳家族的新成員：石墨炔，這是一個(gè)令人振奮的重大突破。

人們不禁會(huì)問(wèn)石墨炔最近發(fā)展得如何，石墨烯和石墨炔究竟孰優(yōu)孰劣，“洋貨”和“國(guó)貨”誰(shuí)更能主導(dǎo)未來(lái)的話語(yǔ)權(quán)？且聽(tīng)小編細(xì)細(xì)道來(lái)。

碳家族的新成員

合成、分離新的不同維數(shù)碳同素異形體是過(guò)去二三十年研究的焦點(diǎn)，科學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)了三維富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯等新的碳同素異形體，這些材料均成為了國(guó)際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。碳材料可廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器、傳感器、太陽(yáng)能電池、催化載體以及納微電子器件等領(lǐng)域研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態(tài)，通過(guò)不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體，如：通過(guò)sp3雜化可以形成金剛石，通過(guò)sp3與sp2雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。1996年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)被授予了3位富勒烯的發(fā)現(xiàn)者，2010年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫由于在二維材料石墨烯方面開(kāi)創(chuàng)性的研究被授予了諾貝爾物理獎(jiǎng)，使得碳材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，同時(shí)也激起了科學(xué)家們對(duì)新型碳的同素異形體的研究的熱忱和興趣。

由于sp雜化態(tài)形成的碳碳三鍵具有線性結(jié)構(gòu)、無(wú)順?lè)串悩?gòu)體和高共軛等優(yōu)點(diǎn)，人們一直渴望能夠獲得具有sp雜化態(tài)的碳的新同素異形體，并認(rèn)為該類碳材料具備優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能，將成為下一代新的電子和光電器件的關(guān)鍵材料。就在這時(shí)，我國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)努力在世界范圍內(nèi)首次見(jiàn)證了碳家族新成員的誕生--石墨炔。

碳家族全家福

稻草還是黃金？

2010年，就在為石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歡呼雀躍之時(shí)，我國(guó)科學(xué)家在Chem. Commun.雜志上首次報(bào)道了碳家族新成員石墨炔的誕生。

一時(shí)間，世界還沒(méi)有緩過(guò)神來(lái)。石墨烯是什么還似懂非懂，石墨炔是個(gè)什么鬼？更有部分腦洞大開(kāi)的人已經(jīng)在期待石墨烷了！正如一線明星有很多模仿者，借名人效應(yīng)混跡江湖，人們一開(kāi)始便認(rèn)為石墨炔就是憑借石墨烯的光環(huán)成名的，盛名之下，其實(shí)難副。

然而真的是這樣嗎？

當(dāng)人們抱著試試看的心態(tài)去了解石墨炔的時(shí)候，才猛然驚覺(jué)，這真是個(gè)寶貝，實(shí)在相見(jiàn)恨晚！

2010年，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用六炔基苯在銅片的催化作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在銅片表面上通過(guò)化學(xué)方法合成了大面積碳的新同素異形體--石墨炔，這是在世界上首次大面積制備出了石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)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(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。

石墨炔的分子結(jié)構(gòu)

一直以來(lái)，人們總渴望能夠獲得具有sp雜化態(tài)的碳的新同素異形體，從而獲得優(yōu)異的性能。這么好的事情，為什么外國(guó)人做不出來(lái)，而我國(guó)科學(xué)家做出來(lái)了？

美麗的“意外”

1968 年著名理論家Baughman通過(guò)計(jì)算認(rèn)為石墨炔結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在，國(guó)際上的著名功能分子和高分子研究組都開(kāi)始了相關(guān)的研究，但是并沒(méi)有獲得成功。

漸漸地，人們開(kāi)始懷疑石墨炔是否能被人工合成。

直到2010年，中科院化學(xué)所李玉良研究員等提出了在銅片表面上通過(guò)化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積(3. 61cm2)碳的新的同素異形體-石墨炔(graphdiyne) 薄膜。在這一過(guò)程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑、生長(zhǎng)基底，而且為石墨炔薄膜的生長(zhǎng)所需的定向聚合提供了大的平面基底。

通過(guò)訪問(wèn)李玉良研究員，我們了解到，石墨炔這一巨大的“意外”，其實(shí)是該課題組多年的經(jīng)驗(yàn)積累。

李玉良課題組從源頭的分子設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)行研究，漸漸地試著合成一些分子的片段。但是僅僅是量變是不夠的，直到有一天意外靈感的迸發(fā)--在閱讀文獻(xiàn)的過(guò)程中，李玉良研究員突然聯(lián)想到了一種化學(xué)的方法有可能使石墨炔大面積成膜。于是，他們立即著手去做，質(zhì)變發(fā)生了，世界震驚了！

“超級(jí)材料”的“超能力”

早在1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家就提出了“菲斯拉格理論”并預(yù)測(cè)了具有奇特性能的虛構(gòu)材料，它們具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，這種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或者復(fù)合材料就是“超級(jí)材料”。而超級(jí)材料的超能力則來(lái)源于科學(xué)家們新穎的設(shè)計(jì)思想。超級(jí)材料的設(shè)計(jì)思想昭示著人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)帶入一個(gè)嶄新的天地。

正是由于超級(jí)材料與眾不同的超能力，使得新材料領(lǐng)域又掀起了一陣技術(shù)狂潮，各國(guó)都積極加入“超級(jí)材料”的研發(fā)行列。關(guān)于“超能力”的爭(zhēng)奪戰(zhàn)愈演愈烈，究竟誰(shuí)的超能力更加奪人眼球？那些聽(tīng)起來(lái)遙遠(yuǎn)得如科幻電影般的橋段能否真的走出實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)人們的生活？正是由于對(duì)未來(lái)世界充滿著期望與不確定，超級(jí)材料的爭(zhēng)奪戰(zhàn)也勢(shì)必將是一個(gè)未知數(shù)。

超級(jí)材料示意圖

棋逢對(duì)手：石墨烯VS石墨炔

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來(lái)就成為了“神奇材料”的代名詞，各國(guó)的頂尖科研力量對(duì)它趨之若鶩，成就了它材料界翹楚的地位。然而石墨炔的出現(xiàn)，再次刷新了“石墨烯”這一新詞的熱度。二者棋逢對(duì)手，那么到底誰(shuí)更勝一籌呢？

先來(lái)說(shuō)說(shuō)石墨烯的非凡之處。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果用一塊面積為1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。

石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用方向，是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)提升數(shù)百倍。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。

同時(shí)，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

石墨炔，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料。它是由sp和sp2雜化形成的一種新型碳的同素異形體，是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成的具有二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全碳材料，具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)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(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔有望可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。

最近，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所能源應(yīng)用技術(shù)分所研究員黃長(zhǎng)水帶領(lǐng)的研究小組與中科院化學(xué)研究所研究員李玉良合作，首次將石墨炔應(yīng)用于鋰離子電池電極材料，并對(duì)其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能及儲(chǔ)鋰機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，闡明了石墨炔結(jié)構(gòu)、形貌與其電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系，探索了石墨炔材料在鋰電池中的應(yīng)用，

這些研究為石墨炔家族的儲(chǔ)鋰性能研究以及探索新型碳素儲(chǔ)能材料提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲(chǔ)鋰材料，且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在面內(nèi)和面外的擴(kuò)散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能，從實(shí)踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲(chǔ)鋰能源材料，科學(xué)家也預(yù)測(cè)它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。

石墨炔應(yīng)用于鋰離子電池電極材料

由此看來(lái)，在性能和應(yīng)用前景方面，石墨炔的“超能力”絲毫不遜色于石墨烯，作為初登科學(xué)界風(fēng)口浪尖的新型材料物質(zhì)，來(lái)自中國(guó)的石墨炔成績(jī)自然也不會(huì)差。國(guó)內(nèi)外的“超級(jí)材料”之爭(zhēng)才剛剛拉開(kāi)序幕，石墨烯與石墨炔的對(duì)決還在繼續(xù)，不過(guò)我們有理由相信，中國(guó)科學(xué)家勢(shì)必會(huì)在這一次的高手過(guò)招中再下一城。