石墨烯VS石墨炔：國內外“超級材料”之爭

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2010年，諾貝爾物理學獎頒給了石墨烯的發(fā)明者—英國物理學家安德烈和康斯坦丁，一時間，科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。

同樣是2010年，中國科學院化學研究所的研究人員經過潛心研究，發(fā)明了碳家族的新成員—石墨炔，這是一個令人振奮的重大突破。

人們不禁會問：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“國貨”誰更能主導未來的話語權？

碳家族的新成員

合成、分離新的不同維數(shù)碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點，科學家們先后發(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，這些材料均成為國際學術研究的前沿和熱點。碳材料可廣泛應用于鋰離子電池、超級電容器、傳感器、太陽能電池、催化載體以及納微電子器件等領域研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態(tài)，通過不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體，如：通過sp3雜化可以形成金剛石，通過sp3與sp2雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。1996年諾貝爾化學獎授予了3位富勒烯的發(fā)現(xiàn)者；2010年英國曼徹斯特大學的安德烈·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創(chuàng)性的研究被授予了諾貝爾物理獎，使得碳材料的研究進入了一個新的階段，同時也激起了科學家們對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構、無順反異構體和高共軛等優(yōu)點，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，并認為該類碳材料具備優(yōu)異的電學、光學和光電性能，將成為下一代新的電子和光電器件的關鍵材料。

是稻草還是黃金？

2010年，就在人們?yōu)槭┇@得諾貝爾物理學獎歡呼雀躍之時，我國科學家在Chem·Commun·雜志上首次報道了碳家族新成員石墨炔的誕生。

一時間，世界還沒有緩過神來。關于石墨烯是什么，人們還似懂非懂。甚至有部分腦洞大開的人已經在期待石墨烷了！正如一線明星有很多模仿者，他們借名人效應混跡江湖，人們一開始便認為石墨炔就是憑借石墨烯的光環(huán)成名的，盛名之下，其實難副。

理想終成現(xiàn)實

當人們抱著試試看的想法去了解石墨炔的時候，他們才猛然驚覺，這真是個寶貝，實乃相見恨晚！

2010年，中科院化學所有機固體院重點實驗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，成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積碳的新同素異形體—石墨炔，這是世界上首次大面積制備出石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，被譽為最穩(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構及類似硅優(yōu)異的半導體性能，石墨炔可以廣泛應用于電子、半導體以及新能源領域。

一直以來，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。如今，理想終成現(xiàn)實。

美麗的“意外”

1968年，著名理論家Baughman通過計算認為石墨炔結構可以穩(wěn)定存在，國際上的著名功能分子和高分子研究組都開始了相關的研究，但是并沒有獲得成功。

漸漸地，人們開始懷疑石墨炔是否能被人工合成。

直到2010年，中科院化學所研究員李玉良等提出了在銅片表面上通過化學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。在這一過程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜生長所需定向聚合提供了大的平面基底。

通過訪問李玉良，我們了解到，石墨炔這一巨大的“意外”，其實是該課題組多年的經驗積累所得。

李玉良課題組從源頭的分子設計開始進行研究，漸漸地試著合成一些分子的片段。但僅僅是量變還不夠，直到有一天，李玉良在閱讀文獻的過程中，突然靈感迸發(fā)，他想到一種化學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，質變發(fā)生了，世界震驚了！

“超級材料”的“超能力”

早在1968年，蘇聯(lián)物理學家就提出了“菲斯拉格理論”并預測了具有奇特性能的虛構材料，它們具有天然材料所不具備的超常物理性質，這種人工復合結構或者復合材料就是“超級材料”。而超級材料的超能力則來自科學家們新穎的設計思想。超級材料的設計思想昭示著人們可以在不違背基本物理學規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質迥然不同的超常物理性質的“新物質”，把功能材料的設計和開發(fā)帶入一個嶄新的天地。

超級材料與眾不同的超能力使得新材料領域又掀起了一陣技術狂潮，各國都積極加入“超級材料”的研發(fā)行列。關于“超能力”的爭奪戰(zhàn)愈演愈烈，究竟誰的超能力更加奪人眼球？那些聽起來遙遠得如科幻電影般的橋段能否真的走出實驗室走進人們的生活？正是由于未來世界充滿著不確定性，超級材料的爭奪戰(zhàn)鹿死誰手也將是一個未知數(shù)。

棋逢對手：石墨烯VS石墨炔

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生之日起就成了“神奇材料”的代名詞，各國的頂尖科研力量對它趨之若鶩。然而石墨炔的出現(xiàn)，再次刷新了“石墨烯”這一新詞的熱度。二者棋逢對手，那么到底誰更勝一籌呢？

先來說說石墨烯的非凡之處。

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

石墨烯目前最有潛力的應用方向是，成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅用于計算機，其處理器的運行速度將會提升數(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，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氦原子）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最高、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”?？茖W家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業(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構材料。它是第一個以sp、sp2和sp3三種雜化態(tài)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)絡結構的全碳材料，具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，被譽為最穩(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構及類似硅優(yōu)異的半導體性能，石墨炔有望廣泛應用于電子、半導體以及新能源領域。

最近，中國科學院青島生物能源與過程研究所能源應用技術分所研究員黃長水帶領的研究小組與中科院化學所研究員李玉良合作，首次將石墨炔應用于鋰離子電池電極材料，并對其電化學儲鋰性能及儲鋰機制進行了詳細的分析研究，闡明了石墨炔結構、形貌與其電化學性能之間的構效關系，探索了石墨炔材料在鋰離子電池中的應用，這些研究為石墨炔家族的儲鋰性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據(jù)和實驗指導。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲鋰材料，且其獨特的結構更有利于鋰離子在面內和面外的擴散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能；從實踐上也可以證明石墨炔是一種非常有前景的儲鋰能源材料。因此，科學家預測它在新能源領域將產生非比尋常的影響。

由此看來，在性能和應用前景方面，石墨炔的“超能力”絲毫不遜色于石墨烯，作為初登科學界風口浪尖的新型材料物質，來自中國的石墨炔成績自然也不會差。國內外的“超級材料”之爭才剛剛拉開序幕，石墨烯與石墨炔的對決還在繼續(xù)，不過我們有理由相信，中國科學家勢必會在這一次的高手過招中再下一城。

（本文轉自科普中國）