據(jù)報(bào)道，美國科羅拉多大學(xué)研究人員日前成功合成出石墨炔，此項(xiàng)成果或?yàn)殡娮?、光學(xué)和半導(dǎo)體材料研究開辟全新的途徑。事實(shí)上，石墨炔的合成研究一直是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)，早在2010年，我國的李玉良院士團(tuán)隊(duì)就在世界上首次合成石墨炔。

我們很多人都聽說過大名鼎鼎的石墨烯，也知道2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是頒發(fā)給了石墨烯材料的研發(fā)者。石墨炔與石墨烯，僅一字之差，它們之間是否存在某種聯(lián)系？石墨炔是否能和石墨烯媲美？這里我們邀請中國科學(xué)院化學(xué)所博士孫藝旋來做一些科普介紹。

石墨炔GDY結(jié)構(gòu)示意圖

21世紀(jì)是石墨烯的世紀(jì)

讓我們先從更早出世的石墨烯說起。

聽上去，石墨烯和石墨似乎有著某種聯(lián)系，事實(shí)也確實(shí)如此。石墨烯和石墨、金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)。它們都是碳家族的一員，互為同素異形體，含有碳元素但具有不同的排列方式，從而表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。

比如金剛石（鉆石的原身），它呈正四面體空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，碳原子之間形成共價(jià)鍵；當(dāng)切割或熔化時(shí)，需要克服碳原子之間的共價(jià)鍵，由于金剛石中所有的價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成，沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電。

石墨是片層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子排列成平面六邊形，每個(gè)碳原子以3個(gè)共價(jià)鍵與其它碳原子結(jié)合，而層與層之間的距離則比較大，層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。天然石墨耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，摩擦系數(shù)小。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會(huì)留下痕跡，正是這種松散堆砌的結(jié)果。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，可以說石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至幾十層的石墨烯。

換句話說，把石墨一層一層地剝下來就是石墨烯了。從力學(xué)性質(zhì)上說，石墨烯同石墨一樣，其各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

石墨烯分子結(jié)構(gòu)片段

科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)了石墨烯是目前世界上已知的強(qiáng)度最高的材料，比鉆石還堅(jiān)硬，是世界上最硬的鋼鐵強(qiáng)度的100多倍。瑞典皇家科學(xué)院在頒發(fā)2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)曾這樣比喻：“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”。有人這樣引申說，由于石墨烯厚度只有單層原子，透光率高達(dá)97.7%，因此如果真有那樣的吊床，它不僅對于肉眼，甚至對于很多儀器來說都是不可見的，我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。

從熱電性質(zhì)上來說，在石墨烯的“二維世界”里，電子運(yùn)動(dòng)具有很奇特的性質(zhì)，即電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，其傳導(dǎo)速度可達(dá)光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。加上石墨烯結(jié)構(gòu)在常溫下的高度完美性，使得電子的傳輸及對外場的反應(yīng)都超級迅速，這使得石墨烯具有超常的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

而且更重要的是，石墨烯還可以用來制作晶體管，由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性，這種晶體管在接近單個(gè)原子的線度上依然能穩(wěn)定地工作。若是用石墨烯來替代硅生產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度將會(huì)比現(xiàn)在快數(shù)百倍。因此很多人相信，石墨烯將會(huì)成為硅的接班人，引領(lǐng)技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)新的微縮時(shí)代的來臨。

除了具有超高的強(qiáng)度和韌性外，石墨烯幾乎是完全透明的，即使是最小的單分子原子（氦原子）也無法穿過，只吸收2.3%左右的光，還有不透水、不透氣以及抵御強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的能力，這使它有可能成為制作保護(hù)膜的理想材料。石墨烯既能導(dǎo)電又高度透明的特點(diǎn)，使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，例如觸摸顯示屏、太陽能電池板的原料等。

研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出一種新型儲能設(shè)備——微型石墨烯超級電容器。這種裝置的充電或放電速度比常規(guī)電池快100倍到1000倍，能在一分鐘內(nèi)給手機(jī)甚至是汽車充滿電。

正因如此，所以有人說，如果20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，那么21世紀(jì)就是石墨烯的世紀(jì)。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，在實(shí)驗(yàn)中成功地從石墨中分離出石墨烯。2010年，兩人因此共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“下一代奇跡材料”石墨炔

石墨烯已經(jīng)如此神奇了，那么石墨炔呢？它有什么不一樣的神奇之處嗎？

石墨炔和石墨烯一樣，也是只由碳原子構(gòu)成，也是只有一層原子厚度的二維晶體。不同的地方在于，石墨烯的平面原子結(jié)構(gòu)是六邊形，也稱為蜂巢晶格結(jié)構(gòu)；而石墨炔的平面原子結(jié)構(gòu)則能具有數(shù)種不同的二維結(jié)構(gòu)，其理論上能以無數(shù)種形態(tài)存在，目前已經(jīng)至少有6種石墨炔異構(gòu)體被報(bào)道。

6種不同的石墨炔異構(gòu)體結(jié)構(gòu)圖

正是因?yàn)閾碛挟悩?gòu)體結(jié)構(gòu)，石墨炔具有某些獨(dú)特的電子傳導(dǎo)、力學(xué)和光學(xué)特性。此外，石墨炔還天生具有電荷載子，不像石墨烯需要額外摻雜，因此能作為制作電子元件所需的半導(dǎo)體材料。

早在1968年，理論化學(xué)家鮑曼就通過理論計(jì)算證實(shí)了石墨炔結(jié)構(gòu)的存在。但要想在實(shí)際中合成制備出石墨炔，還面臨著很多巨大的困難。我們可以這樣理解，石墨烯的平面碳原子結(jié)構(gòu)和石墨的單層平面碳原子結(jié)構(gòu)畢竟是相同的，因此合成制備石墨烯還可以以石墨為抓手，而合成石墨炔的難度顯然是更大了。

科學(xué)家們一直在為此不懈努力。在2010年，中科院化學(xué)所李玉良院士團(tuán)隊(duì)在石墨炔研究方面取得了重要突破，在世界上首次合成了石墨炔，開辟了碳材料的新領(lǐng)域。李玉良和他的團(tuán)隊(duì)從20世紀(jì)90年代中期開始探索平面碳的合成化學(xué)研究。在石墨炔的合成中，他們從源頭的分子設(shè)計(jì)開始進(jìn)行研究，漸漸地試著合成一些分子的片段。直到有一天在閱讀文獻(xiàn)的過程中，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。他們在銅片表面上通過化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積（3.61平方厘米）碳的新的同素異形體——石墨炔薄膜。在這一過程中，銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長所需的定向聚合提供了大的平面基底。

今年5月9日發(fā)表在《自然·合成》上的研究論文，則在石墨炔合成制備上提供了一個(gè)新的途徑。此文通訊作者、科羅拉多大學(xué)波爾德分?；瘜W(xué)教授張偉和他的團(tuán)隊(duì)，通過使用被稱為炔烴換位反應(yīng)的有機(jī)反應(yīng)過程中，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的控制下重新分割或切割和重組烷基化學(xué)鍵，也成功地制作出石墨炔。

石墨炔被譽(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)及類似硅的優(yōu)異半導(dǎo)體性能，石墨炔有望廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體領(lǐng)域。

鋰在石墨中的擴(kuò)散方式是面內(nèi)擴(kuò)散，也就是層間擴(kuò)散。與石墨不同的是，石墨炔同時(shí)有二維平面結(jié)構(gòu)和三維孔道結(jié)構(gòu)，鋰在其中有面內(nèi)和面外兩種擴(kuò)散方式，這使得石墨炔在鋰離子電池方面具有很好的應(yīng)用潛力。石墨炔是一種理想的儲鋰材料，可以作為鋰離子電池的高能量密度存儲的負(fù)極材料。科學(xué)家也預(yù)測它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。

石墨炔這種材料或許還有一些你意想不到的神奇功能。據(jù)2020年發(fā)表在《科技日報(bào)》上的一則報(bào)道，山東理工大學(xué)低維光電材料與器件團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨炔具有優(yōu)異的紫外非線性特性，可以“恰到好處”地吸收紫外線。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊《納米尺度》上。所謂紫外非線性材料，就是能夠在紫外線強(qiáng)度比較低的情況下允許其通過，但若紫外線強(qiáng)度高于某一閾值，那么該材料就會(huì)神奇地將超額的紫外線阻擋住，形成對生物細(xì)胞的保護(hù)，從而使其成為理想的紫外防護(hù)材料。

英國《納米技術(shù)》雜志曾這樣評價(jià)：“石墨炔是未來最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料之一，它將在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?！?/p>

在合成石墨炔領(lǐng)域，我國科學(xué)家有著開創(chuàng)性的成果。而要獲得大規(guī)模工業(yè)制備石墨炔的方法，還需要全球科學(xué)家們付出更多艱苦的努力，前景令人期待。