C60與石墨烯的區(qū)別

【專家解說(shuō)】：C60分子是一種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。（C60這種物質(zhì)是由C60分子組成的，而不是由原子構(gòu)成的。）C60是單純由碳原子結(jié)合形成的穩(wěn)定分子，它具有60個(gè)頂點(diǎn)和32個(gè)面，其中12個(gè)為正五邊形，20個(gè)為正六邊形。其相對(duì)分子質(zhì)量約為720。處于頂點(diǎn)的碳原子與相鄰頂點(diǎn)的碳原子各用近似于sp2雜化軌道重疊形成σ鍵，每個(gè)碳原子的三個(gè)σ鍵分別為一個(gè)五邊形的邊和兩個(gè)六邊形的邊。碳原子雜化軌道理論計(jì)算值為sp2.28，每個(gè)碳原子的三個(gè)σ鍵不是共平面的，鍵角約為108°或120°，因此整個(gè)分子為球狀。每個(gè)碳原子用剩下的一個(gè)p軌道互相重疊形成一個(gè)含60個(gè)π電子的閉殼層電子結(jié)構(gòu)，因此在近似球形的籠內(nèi)和籠外都圍繞著π電子云。分子軌道計(jì)算表明，足球烯具有較大的離域能。C60具有金屬光澤，有許多優(yōu)異性能，如超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕、在光、電、磁等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。碳納米管是典型的富勒烯，又稱巴基管，是一種管狀結(jié)構(gòu)的碳原子簇，直徑約幾納米，長(zhǎng)約幾微米。據(jù)理論計(jì)算，碳納米管纖維的強(qiáng)度是鋼的100倍，而質(zhì)量?jī)H為鋼的1/7，如果能做成碳纖維，將是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。碳納米管還具有極強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力，可以在燃料電池儲(chǔ)氫裝置上。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在[1]，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"[4]；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過(guò)15000 cm²/V·s，又比納米碳管或硅晶體*高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料[1]。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。石墨烯另一個(gè)特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列構(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子尺寸網(wǎng)。石墨烯的命名來(lái)自英文的graphite(石墨) + -ene(烯類結(jié)尾)。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42Å。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形); 如果有五邊形和七邊形存在，則會(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同形成富勒烯。石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管；另外石墨烯還被做成彈道晶體管（ballistic transistor）并且吸引了大批科學(xué)家的興趣 。在2006年3月，佐治亞理工學(xué)院研究員宣布, 他們成功地制造了石墨烯平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并觀測(cè)到了量子干涉效應(yīng)，并基于此結(jié)果，研究出以石墨烯為基材的電路.石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質(zhì)料非常牢固堅(jiān)硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯的原子尺寸結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用量子場(chǎng)論才能描繪。石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。[1]發(fā)展簡(jiǎn)史。第一：石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料。 　石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可能會(huì)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)，碳元素更高的電子遷移率可以使未來(lái)的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑　石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。