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石墨烯vs石墨炔: 超级材料之争 谁更能主导未来?

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-17  浏览次数:193
核心提示:随着2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发明者两位英国物理学家安德烈和康斯坦丁,一时间科研圈掀起了一股石墨烯的研究热潮。 
随着2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发明者——两位英国物理学家安德烈和康斯坦丁,一时间科研圈掀起了一股石墨烯的研究热潮。

  同样是2010年,中科院化学所的研究人员经过潜心研究发明了碳家族的新成员:石墨炔,这是一个令人振奋的重大突破。

  人们不禁会问石墨炔最近发展得如何,石墨烯和石墨炔究竟孰优孰劣,谁更能主导未来的话语权?

  碳家族的新成员

  合成、分离新的不同维数碳同素异形体是过去二三十年研究的焦点,科学家们先后发现了三维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯等新的碳同素异形体,这些材料均成为了国际学术研究的前沿和热点。碳材料可广泛应用于锂离子电池、超级电容器、传感器、太阳能电池、催化载体以及纳微电子器件等领域研究。碳具有sp3、sp2和sp三种杂化态,通过不同杂化态可以形成多种碳的同素异形体,激起了科学家们对新型碳的同素异形体的研究兴趣,他们认为该类碳材料具备优异的电学、光学和光电性能,将成为下一代新的电子和光电器件的关键材料。就在这时,我国科学家经过努力在世界范围内首次见证了碳家族新成员的诞生——石墨炔。

  稻草还是黄金?

  2010年,就在为石墨烯获得诺贝尔物理学奖欢呼雀跃之时,我国科学家首次宣布碳家族新成员石墨炔的诞生。

  2010年,中科院化学所有机固体院重点实验室研究人员利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应,成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积碳的新同素异形体——石墨炔,这是在世界上首次大面积制备出了石墨炔薄膜。它具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性,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优异的半导体性能,石墨炔可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。

  一直以来,人们总渴望能够获得具有sp杂化态的碳的新同素异形体,从而获得优异的性能。这么好的事情,为什么外国人做不出来,而我国科学家做出来了?

  美丽的“意外”

  通过访问中科院化学所李玉良研究员,我们了解到,石墨炔这一巨大的“意外”,其实是该课题组多年的经验积累。

  李玉良课题组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。但是仅仅是量变是不够的,直到有一天意外灵感的迸发,李玉良研究员联想到了一种化学的方法有可能使石墨炔大面积成膜,即在铜片表面上通过化学方法原位合成石墨炔,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。

  他们立即着手去做,质变发生了,首次成功地获得了大面积碳的新的同素异形体-石墨炔薄膜,世界震惊了!

棋逢对手:石墨烯vs石墨炔

  作为碳元素家族的新贵,石墨烯自诞生以来就成为了“神奇材料”的代名词。然而石墨炔的出现,再次刷新了“石墨烯”这一新词的热度。二者棋逢对手,那么到底谁更胜一筹呢?

  先来说说石墨烯的非凡之处。石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。石墨烯目前最有潜力的应用方向,是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会提升数百倍。另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

  石墨炔,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳纳米结构材料,具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性,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优异的半导体性能,石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。研究表明,石墨炔是一种非常理想的储锂材料,且其独特的结构更有利于锂离子在面内和面外的扩散和传输,这样赋予其非常好的倍率性能,从实践证明石墨炔是一种非常有前景的储锂能源材料,科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。

  由此看来,在性能和应用前景方面,石墨炔的“超能力”丝毫不逊色于石墨烯,作为初登科学界风口浪尖的新型材料物质,来自中国的石墨炔成绩自然也不会差。
 
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