石墨烯正在進(jìn)入運(yùn)動(dòng)設(shè)備和汽車輪胎領(lǐng)域

YIMING HU/NATURE SYNTHESIS

這種新的碳同素異形體是首次批量生產(chǎn)的，而半導(dǎo)體石墨烯不是。

自18年前石墨烯被發(fā)現(xiàn)并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，這種多功能材料已經(jīng)被研究了數(shù)百種應(yīng)用。其中包括強(qiáng)力復(fù)合材料、高容量電池電極、用于顯示器和太陽(yáng)能電池的透明導(dǎo)電涂層、超小型和超快晶體管以及可打印電子產(chǎn)品。

盡管石墨烯正憑借其特點(diǎn)還在進(jìn)入運(yùn)動(dòng)設(shè)備和汽車輪胎領(lǐng)域，但其備受推崇的電子應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢。一個(gè)原因是大塊石墨烯不是半導(dǎo)體。為了使其半導(dǎo)體化（這對(duì)晶體管至關(guān)重要），必須以具有適當(dāng)尺寸比的納米帶的形式生產(chǎn)。

還有另一種與石墨烯有關(guān)的一維形式的碳，科學(xué)家們?cè)缭?987年就首次預(yù)測(cè)到了，這是一種不需要切割成特定形狀和尺寸的半導(dǎo)體。但事實(shí)證明，這種叫做graphyne（石墨炔）的材料幾乎不可能制造出超過(guò)微觀數(shù)量的產(chǎn)品。

現(xiàn)在，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員報(bào)告了一種批量生產(chǎn)石墨炔的方法?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校化學(xué)教授Wei Zhang說(shuō)：“通過(guò)使用我們的方法，我們可以制作散裝粉末樣品。我們發(fā)現(xiàn)了由20到30層組成的多層石墨片。我們很有信心可以使用不同的剝脫方法來(lái)收集幾層甚至只是一層?！?/p>

石墨、金剛石、富勒烯和石墨烯都是碳同素異形體，它們的不同性質(zhì)來(lái)自于它們的碳原子之間多種類型的鍵的組合和排列。因此，雖然金剛石中碳原子的三維立方晶格使其異常堅(jiān)硬，但石墨烯中六角形晶格中的單層碳原子使其具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性。

石墨炔類似于石墨烯，因?yàn)樗且粚釉雍竦奶荚印５梢匀〈切尉Ц?，采用不同的結(jié)構(gòu)，即碳原子之間通過(guò)三鍵連接的間隔環(huán)。

這種材料獨(dú)特的導(dǎo)電、半導(dǎo)體和光學(xué)特性使其在電子應(yīng)用方面比石墨烯更令人興奮。理論上，石墨炔的固有電子遷移率可能比石墨烯高50%。在一些石墨炔中，電子只能在一個(gè)方向上傳導(dǎo)。該材料還具有其他激發(fā)特性，如離子遷移率，這對(duì)電池電極很重要。

中國(guó)青島科技大學(xué)的Zhang，Yingjie Zhao和他們的同事用一種叫做炔烴復(fù)分解（alkyne metathesis）的方法制造了石墨。這是一種由催化劑引發(fā)的有機(jī)反應(yīng)，在這種反應(yīng)中，碳?xì)浠衔锓肿又刑荚又g的化學(xué)鍵可以斷裂并重組，以達(dá)到更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

這一過(guò)程復(fù)雜而緩慢。但它能產(chǎn)生足夠的石墨炔，使科學(xué)家能夠深入研究這種材料的特性，并評(píng)估其潛在應(yīng)用。Zhang說(shuō)：“至少需要幾年的時(shí)間才能對(duì)這些材料有一些基本的了解。然后，它將處于良好狀態(tài)，以便人們將其提升到更高的水平，即針對(duì)特定的半導(dǎo)體或電池應(yīng)用?！?/p>

他和他的同事計(jì)劃研究如何大量生產(chǎn)這種材料。他說(shuō)，能夠使用基于溶液的化學(xué)反應(yīng)對(duì)于在工業(yè)相關(guān)規(guī)模上制造石墨炔至關(guān)重要。

不過(guò)，這只是石墨炔研究的開(kāi)始，就目前而言，能夠制造出足夠數(shù)量的這種long-hypothesized材料是令人興奮的第一步。Zhang表示：“20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)了富勒烯，90年代初發(fā)現(xiàn)了納米管，2004年發(fā)現(xiàn)了石墨烯。從發(fā)現(xiàn)一種新的碳同素異形體到深入研究再到首次應(yīng)用，所用的時(shí)間已經(jīng)越來(lái)越短。我已經(jīng)接到世界各地風(fēng)險(xiǎn)投資家的電話。但我告訴他們，現(xiàn)在還有點(diǎn)早?！?/p>

原文標(biāo)題：為什么石墨炔不是石墨烯2.0

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