??????? 2010年10月4日，諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，獲獎?wù)呤怯鼜厮固卮髮W(xué)物理和天文學(xué)院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，獲獎理由為“二維空間材料石墨烯（graphene）方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”。從2004年石墨烯被成功剝離[1]至2010年斬獲諾貝爾獎，是什么魔力讓這一看似“普通”的碳材料在短短的6年時間內(nèi)締造了一個傳奇神話？而回眸看其同族兄弟碳納米管，自1991年被發(fā)現(xiàn)至今近20年，歷經(jīng)風(fēng)雨，幾經(jīng)沉浮，不過是“為他人做嫁衣裳”。
??? 石墨烯即為“單層石墨片”，是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元；而碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)（圖1）。作為一維（1D）和二維（2D）納米材料的代表者，二者在結(jié)構(gòu)和性能上具有互補(bǔ)性。從結(jié)構(gòu)上來看，碳納米管是碳的一維晶體結(jié)構(gòu)；而石墨烯僅由單碳原子層構(gòu)成，是真正意義上的二維晶體結(jié)構(gòu)。從性能上來看，石墨烯具有可與碳納米管相媲美或更優(yōu)異的特性，例如高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、高載流子遷移率、自由的電子移動空間、高強(qiáng)度和剛度等。目前，關(guān)于碳納米管的研究，無論在制備技術(shù)、性能表征及應(yīng)用探索等方面都已經(jīng)達(dá)到了一定的深度和廣度。組成及結(jié)構(gòu)上的緊密聯(lián)系，使二者在研究方法上具有許多相通之處。事實(shí)上，很多針對石墨烯的研究最開始都是受到碳納米管相關(guān)研究的啟發(fā)而開展起來的。
??????????????????????????? 圖1 石墨烯與碳納米管
??? 石墨烯的發(fā)展歷程與碳納米管極為類似。在碳納米管被發(fā)現(xiàn)之前，碳的晶體結(jié)構(gòu)主要有三種：石墨、金剛石和富勒烯（以C60為代表[2]）。當(dāng)時，對于碳纖維（已工業(yè)化應(yīng)用）和碳納米纖維都已經(jīng)有了很充分的研究；在碳納米管被發(fā)現(xiàn)[3]之后，人們開始關(guān)注碳納米管與碳納米纖維之間的異同。從表面上看，在晶體結(jié)構(gòu)上，碳納米纖維的晶化程度相對較差，缺陷較多，石墨層片排列不連續(xù)，直徑較大，并不真正屬于碳的晶體結(jié)構(gòu)，或者僅算是石墨的一種衍生物。如果單從這一點(diǎn)來看，碳納米管的出現(xiàn)似乎僅是碳納米纖維的一個延伸。因此，很有一些人并不把碳納米管的發(fā)現(xiàn)歸功于Sumio Iijima。事實(shí)上，碳納米管的發(fā)現(xiàn)意義體現(xiàn)在人類觀念的更新，標(biāo)志著對碳晶體結(jié)構(gòu)（甚至整個碳范式）有了更為深入的認(rèn)識，是本質(zhì)上邁進(jìn)的一大步。尤其是單壁碳納米管、雙壁和薄壁碳納米管的可控合成為充分認(rèn)識碳納米管的性能奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。值得一提的是，一些制備碳納米管的方法大都借鑒自碳納米纖維（如化學(xué)氣相沉積法）。在一些早期研究中，對碳納米纖維和碳納米管的區(qū)分并不十分嚴(yán)格。對比石墨烯與碳納米管（圖2），可顯見類似的發(fā)展軌跡。在石墨烯在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)之前，一些微小石墨晶粒、晶須或石墨層片（層數(shù)較多）就已經(jīng)被合成出來并被廣泛研究。膨脹石墨也是基于剝離石墨的理念，相關(guān)技術(shù)發(fā)展純熟，工業(yè)化應(yīng)用已久。同單壁、雙壁、薄壁碳納米管之間的關(guān)系類似，除了嚴(yán)格意義上的石墨烯(單層)外，雙層和少數(shù)層石墨層片在結(jié)構(gòu)和性能上也都明顯區(qū)別于塊體石墨，在廣義上也被歸為石墨烯的范疇。
???????????????????????? 圖2 石墨烯與碳納米管的發(fā)展歷程
??? 雖然石墨烯與碳納米管有著類似的前生，卻很可能擁有不一樣的未來。原因有多方面，但最終可歸結(jié)為一維材料與二維材料之爭。納米線、納米管在同薄膜材料的較量中往往處于劣勢。以碳納米管為例，單根碳納米管可被視作一根具有高長徑比的單晶，但目前的合成和組裝技術(shù)還無法獲得具有宏觀尺寸的碳納米管晶體（將在后文中詳述），從而限制了碳納米管的應(yīng)用。石墨烯的優(yōu)勢在于本身即為二維晶體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)生長，將Bottom-up和Top-down結(jié)合起來，未來應(yīng)用前景光明。另外，石墨烯更受物理學(xué)家的青睞，是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、解決科學(xué)問題的理想平臺，這也是促成其本次獲獎的主要因素。碳納米管地位尷尬，不可能給物理獎，給個化學(xué)獎也不太像，何況已有C60在先。
??? 后注：石墨烯作為石墨（及后來的碳納米管）的基本結(jié)構(gòu)單元在理論上已被研究長達(dá)60余年[4]。在Geim和Novoselov的工作之前，薄層石墨已有多處報(bào)道。例如，Columbia University的Philip Kim[5]和University of Texas at Austin的Rodney Rouff[6]（當(dāng)時在Washington University）都曾對石墨剝離薄層石墨片進(jìn)行過研究，很可惜未得到單層石墨烯。
參考文獻(xiàn)：
[1] K. S.Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666.
[2] H. W. Kroto, et al. Nature, 1985, 318, 162.
[3] S. Iijima. Nature, 1991, 354, 56.
[4] P. R. Wallace. Physical Review, 1947, 71, 622.
[5] A. K. Geim, P. Kim. Scientific American, 2008, 4, 90.
[6] X. K. Lu, et al. Nanotechnology, 1999, 10, 269; Applied Physics Letters, 1999, 75, 193.
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