奇熊百科 > 生活 > 正文

​石墨烯是单质还是化合物(石墨烯是什么材料)

时间:2023-10-23 11:42

来源:奇熊百科

点击:

石墨烯是单质还是化合物(石墨烯是什么材料)

石墨烯不是化合物,是单质,它全部由碳原子组成。

石墨炔与石墨烯,谁是超级材料?

据报道,美国科罗拉多大学研究人员日前成功合成出石墨炔,此项成果或为电子、光学和半导体材料研究开辟全新的途径。事实上,石墨炔的合成研究一直是科学家们孜孜以求的目标,早在2010年,我国的李玉良院士团队就在世界上首次合成石墨炔。

我们很多人都听说过大名鼎鼎的石墨烯,也知道2010年的诺贝尔物理学奖就是颁发给了石墨烯材料的研发者。石墨炔与石墨烯,仅一字之差,它们之间是否存在某种联系?石墨炔是否能和石墨烯媲美?这里我们邀请中国科学院化学所博士孙艺旋来做一些科普介绍。

石墨烯是单质还是化合物(石墨烯是什么材料)

石墨炔GDY结构示意图

21世纪是石墨烯的世纪

让我们先从更早出世的石墨烯说起。

听上去,石墨烯和石墨似乎有着某种联系,事实也确实如此。石墨烯和石墨、金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质。它们都是碳家族的一员,互为同素异形体,含有碳元素但具有不同的排列方式,从而表现出不同的物理性质。

比如金刚石(钻石的原身),它呈正四面体空间网状立体结构,碳原子之间形成共价键;当切割或熔化时,需要克服碳原子之间的共价键,由于金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。

石墨是片层状结构,层内碳原子排列成平面六边形,每个碳原子以3个共价键与其它碳原子结合,而层与层之间的距离则比较大,层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。天然石墨耐高温,热膨胀系数小,导热、导电性好,摩擦系数小。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹,正是这种松散堆砌的结果。

石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体,可以说石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至几十层的石墨烯。

换句话说,把石墨一层一层地剥下来就是石墨烯了。从力学性质上说,石墨烯同石墨一样,其各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。

石墨烯是单质还是化合物(石墨烯是什么材料)

石墨烯分子结构片段

科学家已经证实了石墨烯是目前世界上已知的强度最高的材料,比钻石还坚硬,是世界上最硬的钢铁强度的100多倍。瑞典皇家科学院在颁发2010年诺贝尔物理学奖时曾这样比喻:“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4千克的兔子”。有人这样引申说,由于石墨烯厚度只有单层原子,透光率高达97.7%,因此如果真有那样的吊床,它不仅对于肉眼,甚至对于很多仪器来说都是不可见的,我们看到的将是一只悬停在半空中的兔子。还有估算显示,如果重叠石墨烯薄片,使其厚度与食品保鲜膜相同的话,便可承载2吨重的汽车。

从热电性质上来说,在石墨烯的“二维世界”里,电子运动具有很奇特的性质,即电子的质量仿佛是不存在的,其传导速度可达光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。加上石墨烯结构在常温下的高度完美性,使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速,这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。

而且更重要的是,石墨烯还可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。若是用石墨烯来替代硅生产超级计算机,计算机的运行速度将会比现在快数百倍。因此很多人相信,石墨烯将会成为硅的接班人,引领技术领域一个新的微缩时代的来临。

除了具有超高的强度和韧性外,石墨烯几乎是完全透明的,即使是最小的单分子原子(氦原子)也无法穿过,只吸收2.3%左右的光,还有不透水、不透气以及抵御强酸、强碱的能力,这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。石墨烯既能导电又高度透明的特点,使得它非常适合作为透明电子产品的原料,例如触摸显示屏、太阳能电池板的原料等。

研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备——微型石墨烯超级电容器。这种装置的充电或放电速度比常规电池快100倍到1000倍,能在一分钟内给手机甚至是汽车充满电。

正因如此,所以有人说,如果20世纪是硅的世纪,那么21世纪就是石墨烯的世纪。

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年,两人因此共同获得了诺贝尔物理学奖。

“下一代奇迹材料”石墨炔

石墨烯已经如此神奇了,那么石墨炔呢?它有什么不一样的神奇之处吗?

石墨炔和石墨烯一样,也是只由碳原子构成,也是只有一层原子厚度的二维晶体。不同的地方在于,石墨烯的平面原子结构是六边形,也称为蜂巢晶格结构;而石墨炔的平面原子结构则能具有数种不同的二维结构,其理论上能以无数种形态存在,目前已经至少有6种石墨炔异构体被报道。

石墨烯是单质还是化合物(石墨烯是什么材料)

6种不同的石墨炔异构体结构图

正是因为拥有异构体结构,石墨炔具有某些独特的电子传导、力学和光学特性。此外,石墨炔还天生具有电荷载子,不像石墨烯需要额外掺杂,因此能作为制作电子元件所需的半导体材料。

早在1968年,理论化学家鲍曼就通过理论计算证实了石墨炔结构的存在。但要想在实际中合成制备出石墨炔,还面临着很多巨大的困难。我们可以这样理解,石墨烯的平面碳原子结构和石墨的单层平面碳原子结构毕竟是相同的,因此合成制备石墨烯还可以以石墨为抓手,而合成石墨炔的难度显然是更大了。

科学家们一直在为此不懈努力。在2010年,中科院化学所李玉良院士团队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,开辟了碳材料的新领域。李玉良和他的团队从20世纪90年代中期开始探索平面碳的合成化学研究。在石墨炔的合成中,他们从源头的分子设计开始进行研究,渐渐地试着合成一些分子的片段。直到有一天在阅读文献的过程中,李玉良研究员突然联想到了一种化学的方法有可能使石墨炔大面积成膜。他们在铜片表面上通过化学方法原位合成石墨炔并首次成功地获得了大面积(3.61平方厘米)碳的新的同素异形体——石墨炔薄膜。在这一过程中,铜箔不仅作为交叉偶联反应的催化剂、生长基底,而且为石墨炔薄膜的生长所需的定向聚合提供了大的平面基底。

今年5月9日发表在《自然·合成》上的研究论文,则在石墨炔合成制备上提供了一个新的途径。此文通讯作者、科罗拉多大学波尔德分校化学教授张伟和他的团队,通过使用被称为炔烃换位反应的有机反应过程中,在热力学和动力学的控制下重新分割或切割和重组烷基化学键,也成功地制作出石墨炔。

石墨炔被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅的优异半导体性能,石墨炔有望广泛应用于电子、半导体领域。

锂在石墨中的扩散方式是面内扩散,也就是层间扩散。与石墨不同的是,石墨炔同时有二维平面结构和三维孔道结构,锂在其中有面内和面外两种扩散方式,这使得石墨炔在锂离子电池方面具有很好的应用潜力。石墨炔是一种理想的储锂材料,可以作为锂离子电池的高能量密度存储的负极材料。科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。

石墨炔这种材料或许还有一些你意想不到的神奇功能。据2020年发表在《科技日报》上的一则报道,山东理工大学低维光电材料与器件团队发现,石墨炔具有优异的紫外非线性特性,可以“恰到好处”地吸收紫外线。相关成果发表在国际知名期刊《纳米尺度》上。所谓紫外非线性材料,就是能够在紫外线强度比较低的情况下允许其通过,但若紫外线强度高于某一阈值,那么该材料就会神奇地将超额的紫外线阻挡住,形成对生物细胞的保护,从而使其成为理想的紫外防护材料。

英国《纳米技术》杂志曾这样评价:“石墨炔是未来最具潜力和商业价值的材料之一,它将在诸多领域得到广泛的应用。”

在合成石墨炔领域,我国科学家有着开创性的成果。而要获得大规模工业制备石墨炔的方法,还需要全球科学家们付出更多艰苦的努力,前景令人期待。

相关标签:

相关推荐

​属虎人永远最旺的颜色(属虎大忌颜色)

​属虎人永远最旺的颜色(属虎大忌颜色)

属虎人永远最旺的颜色(属虎大忌颜色) 属虎人永远最旺的颜色,代表着财富和权力,所以属虎人的家庭生活一直都非常富裕。他们不仅事业有成,而且还有一个幸福美满的家庭,这样的...

2023-10-23 05:19:14

​嘉兴南湖学院宿舍图片_嘉兴南湖学院宿舍怎么分配

​嘉兴南湖学院宿舍图片_嘉兴南湖学院宿舍怎么分配

嘉兴南湖学院宿舍图片_嘉兴南湖学院宿舍怎么分配 嘉兴南湖学院是一所坐落在浙江嘉兴的综合性大学,拥有优美的校园环境和先进的教学设施。作为每个学生在校园内的“家”,宿舍...

2023-10-23 05:17:09

​人参果作用和功效(人参的功效与作用)

​人参果作用和功效(人参的功效与作用)

人参果作用和功效(人参的功效与作用) 人参果作用和功效有哪些?人参果是一种营养价值非常高的水果,它含有丰富的维生素c,可以促进人体的新陈代谢,提高免疫力,还可以增强体质...

2023-10-23 05:15:04

​福建省事业单位改革最新文件  福建省事业单位改革人员安置办法

​福建省事业单位改革最新文件 福建省事业单位改革人员安置办法

福建省事业单位改革最新文件 福建省事业单位改革人员安置办法 福建省事业单位改革最新文件来了!福建省机构改革方案出炉!这些事业单位将被取消编制!快看看有你的单位吗??...

2023-10-23 05:12:59

​靴的拼音和组词组_靴的拼音和组词语有哪些

​靴的拼音和组词组_靴的拼音和组词语有哪些

靴的拼音和组词组_靴的拼音和组词语有哪些 靴的拼音是xuē,通常用于形容带有前端和高筒的鞋子。靴子是特别保护脚部和脚踝的鞋子,不仅可以起到防寒效果,还可以增加穿着者的气...

2023-10-23 05:10:54

​搞笑的顺口溜短句_下雨搞笑的顺口溜

​搞笑的顺口溜短句_下雨搞笑的顺口溜

搞笑的顺口溜短句_下雨搞笑的顺口溜 今天让我们一起来玩一个有趣的游戏——顺口溜!顺口溜是一种快节奏的语言游戏,能够让人在快速说出一系列押韵的词语时带来无限欢乐。我们...

2023-10-23 05:08:49

​发展心理学期末考试题及答案_发展心理学知识点总结

发展心理学期末考试题及答案_发展心理学知识点总结 发展心理学期末考试题通常会涵盖生命周期理论、社会化、认知发展、性别差异、文化影响等方面的内容。考试题型多样,包括选...

2023-10-23 05:06:44

​锅炉水位控制器原理图(锅炉水位控制器故障)

​锅炉水位控制器原理图(锅炉水位控制器故障)

锅炉水位控制器原理图(锅炉水位控制器故障) 锅炉水位控制器原理图主要包括水位计、传感器、控制电路和执行机构等部分。水位计用于测量锅炉内的水位高度,传感器通过将水位测量...

2023-10-23 05:04:39

​台湾贾永婕ins(贾永婕婚纱店)

​台湾贾永婕ins(贾永婕婚纱店)

台湾贾永婕ins(贾永婕婚纱店) 台湾贾永婕ins发文:“今天是我的生日,我很开心,因为我可以自己选择要过什么样的生日了。”照片中,贾永婕身穿白色t恤,头戴棒球帽,素颜出镜镜。...

2023-10-23 05:02:34

​福特猛禽报价及图片(福特猛禽报价多少钱V8)

​福特猛禽报价及图片(福特猛禽报价多少钱V8)

福特猛禽报价及图片(福特猛禽报价多少钱V8) 福特猛禽作为一款强悍的全尺寸皮卡,一直以来都吸引着越野车爱好者的目光。近日,福特宣布了2022年福特猛禽的报价,并曝光了令人惊叹...

2023-10-23 05:00:29

​瓦妮莎哽咽  瓦妮莎说

​瓦妮莎哽咽 瓦妮莎说

瓦妮莎哽咽 瓦妮莎说 瓦妮莎哽咽着说:“我的孩子们在天堂一定会感到开心的,他们会想念我的。”科比的离世,不仅让瓦妮莎悲痛欲绝,也让整个世界为之震惊。在科比比的追悼会...

2023-10-22 21:18:37

​读书笔记格式图片(读书笔记格式怎么写三年级)

​读书笔记格式图片(读书笔记格式怎么写三年级)

读书笔记格式图片(读书笔记格式怎么写三年级) 读书笔记格式图片:本书是一本关于阅读的书,书中收录了作者近年来在国内外发表的大量文章,内容涉及教育、心理、社会、艺术等领...

2023-10-22 21:16:32

​保代证考试成绩查询(保代证考试报名条件)

​保代证考试成绩查询(保代证考试报名条件)

保代证考试成绩查询(保代证考试报名条件) 保代证考试成绩查询时间为2021年4月15日至4月22日。具体时间安排如下:“五险一金”社保代理机构可通过以下方式查询本单位参保人员社保缴...

2023-10-22 21:14:27

​飞行员体检项目有哪些(报考空军飞行员体检项目)

​飞行员体检项目有哪些(报考空军飞行员体检项目)

飞行员体检项目有哪些(报考空军飞行员体检项目) 飞行员体检是针对民航飞行员、军用飞行员等特殊人群进行的一种高标准体检。其中包括视力检查、听力检查、心电图、血常规、肝功...

2023-10-22 21:12:22

​外汇qq群号(外汇交流qq群)

​外汇qq群号(外汇交流qq群)

外汇qq群号(外汇交流qq群) 外汇 *** 群是一种 *** 了外汇交易爱好者和专业人士的社群,群内成员可以交流外汇市场动态、交易策略和心得,分享交易经验和技巧。加入外汇 *** 群可以方便...

2023-10-22 21:10:17

​曾经心痛狼牙主题曲(曾经心痛狼牙版本)

​曾经心痛狼牙主题曲(曾经心痛狼牙版本)

曾经心痛狼牙主题曲(曾经心痛狼牙版本) 曾经心痛狼牙主题曲。这首歌的旋律非常优美,歌词也很感人,但是却被网友吐槽为“洗脑神曲”,甚至有人说这首歌就是在侮辱国歌。其实不...

2023-10-22 21:08:12

​深圳市社会保险基金管理中心布吉管理站(深圳市社会保险基金管理中心坑梓管理站

​深圳市社会保险基金管理中心布吉管理站(深圳市社会保险基金管理中心坑梓管理站

深圳市社会保险基金管理中心布吉管理站(深圳市社会保险基金管理中心坑梓管理站 ) 深圳市社会保险基金管理中心布吉管理站是深圳市社会保险基金管理中心下属的机构之一,主要负责...

2023-10-22 21:06:07

​樱花燃气灶服务24小时热线(樱花燃气灶打火没反应)

​樱花燃气灶服务24小时热线(樱花燃气灶打火没反应)

樱花燃气灶服务24小时热线(樱花燃气灶打火没反应) 樱花燃气灶服务24小时热线,让您足不出户就能享受到专业的燃气安全知识。同时,我们还提供免费上门安装服务,为您解决燃气安全...

2023-10-22 21:04:02

​优思明怎么吃是正确的避孕?优思明怎么吃第二盒

​优思明怎么吃是正确的避孕?优思明怎么吃第二盒

优思明怎么吃是正确的避孕?优思明怎么吃第二盒 优思明是一种口服避孕药,每天定时服用一粒,连续21天,然后停药7天进行月经。正确的使用 *** 是每天选择一个固定的时间,例如早...

2023-10-22 21:01:58

​住宅室内装饰装修管理办法2023(住宅室内装饰装修管理办法第六条第二款)

​住宅室内装饰装修管理办法2023(住宅室内装饰装修管理办法第六条第二款)

住宅室内装饰装修管理办法2023(住宅室内装饰装修管理办法第六条第二款) 2023年3月1日起施行。办法规定,禁止在住宅室内进行下列行为:擅自改变房屋结构和用途;违反规定擅自拆除承...

2023-10-22 20:59:53