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隨著(zhù)2010年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了石墨烯的發(fā)明者——兩位英國物理學(xué)家安德烈和康斯坦丁，一時(shí)間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成為了越來(lái)越多科學(xué)家選擇的材料。
同樣是2010年，中科院化學(xué)所的研究人員經(jīng)過(guò)潛心研究發(fā)明了碳家族的新成員：石墨炔，這是一個(gè)令人振奮的重大突破。
那么人們不禁會(huì )問(wèn)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(shuí)更能主導未來(lái)的話(huà)語(yǔ)權？
碳家族的新成員
合成、分離新的不同維數碳同素異形體是過(guò)去二三十年研究的焦點(diǎn)，科學(xué)家們先后發(fā)現了三維富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯等新的碳同素異形體，這些材料均成為了國際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。碳材料可廣泛應用于鋰離子電池、超級電容器、傳感器、太陽(yáng)能電池、催化載體以及納微電子器件等領(lǐng)域研究。碳具有 sp3、sp2 和 sp 三種雜化態(tài)，通過(guò)不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體，如：通過(guò) sp3 雜化可以形成金剛石，通過(guò) sp3 與 sp2 雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。1996 年化學(xué)諾貝爾獎被授予了 3 位富勒烯的發(fā)現者，2010 年英國曼徹斯特大學(xué)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(kāi)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(jìn)入了一個(gè)新的階段，同時(shí)也激起了科學(xué)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(xiàn)性結構、無(wú)順?lè )串悩嬻w和高共軛等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)碳材料具備優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能，將成為下一代新的電子和光電器件的關(guān)鍵材料。就在這時(shí)，我國科學(xué)家經(jīng)過(guò)努力在世界范圍內首次見(jiàn)證了碳家族新成員的誕生——石墨炔。
碳家族全家福
2010年，就在為石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎歡呼雀躍之時(shí)，我國科學(xué)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(shí)間，世界還沒(méi)有緩過(guò)神來(lái)。石墨烯是什么還似懂非懂，石墨炔是個(gè)什么鬼？更有部分腦洞大開(kāi)的人已經(jīng)在期待石墨烷了！正如一線(xiàn)明星有很多模仿者，借名人效應混跡江湖，人們一開(kāi)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(shí)難副。
然而真的是這樣嗎？當人們抱著(zhù)試試看的心態(tài)去了解石墨炔的時(shí)候，才猛然驚覺(jué)，這真是個(gè)寶貝，實(shí)在相見(jiàn)恨晚！
2010 年，中科院化學(xué)所有機固體院重點(diǎn)實(shí)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(guò)化學(xué)方法合成了大面積碳的新同素異形體——石墨炔，這是在世界上首次大面積制備出了石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩定性，被譽(yù)為是最穩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(lèi)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(lǐng)域。
一直以來(lái)，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。這么好的事情，為什么外國人做不出來(lái)，而我國科學(xué)家做出來(lái)了？
石墨炔的分子結構
美麗的“意外”
1968 年著(zhù)名理論家 Baughman 通過(guò)計算認為石墨炔結構可以穩定存在，國際上的著(zhù)名功能分子和高分子研究組都開(kāi)始了相關(guān)的研究，但是并沒(méi)有獲得成功。漸漸地，人們開(kāi)始懷疑石墨炔是否能被人工合成。
直到 2010 年，中科院化學(xué)所李玉良研究員等提出了在銅片表面上通過(guò)化學(xué)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(guò)程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應的催化劑、生長(cháng)基底，而且為石墨炔薄膜的生長(cháng)所需的定向聚合提供了大的平面基底。
通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)李玉良研究員，我們了解到，石墨炔這一巨大的“意外”，其實(shí)是該課題組多年的經(jīng)驗積累。
李玉良課題組從源頭的分子設計開(kāi)始進(jìn)行研究，漸漸地試著(zhù)合成一些分子的片段。但是僅僅是量變是不夠的，直到有一天意外靈感的迸發(fā)——在閱讀文獻的過(guò)程中，李玉良研究員突然聯(lián)想到了一種化學(xué)的方法有可能使石墨炔大面積成膜。于是，他們立即著(zhù)手去做，質(zhì)變發(fā)生了，世界震驚了！
“超級材料”的“超能力”
早在 1968 年，前蘇聯(lián)物理學(xué)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(zhì)，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(lái)源于科學(xué)家們新穎的設計思想。超級材料的設計思想昭示著(zhù)人們可以在不違背基本的物理學(xué)規律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設計和開(kāi)發(fā)帶入一個(gè)嶄新的天地。
正是由于超級材料與眾不同的超能力，使得新材料領(lǐng)域又掀起了一陣技術(shù)狂潮，各國都積極加入“超級材料”的研發(fā)行列。關(guān)于“超能力”的爭奪戰愈演愈烈，究竟誰(shuí)的超能力更加奪人眼球？那些聽(tīng)起來(lái)遙遠得如科幻電影般的橋段能否真的走出實(shí)驗室走進(jìn)人們的生活？正是由于對未來(lái)世界充滿(mǎn)著(zhù)期望與不確定，超級材料的爭奪戰也勢必將是一個(gè)未知數。
超級材料示意圖
作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來(lái)就成為了“神奇材料”的代名詞，各國的頂尖科研力量對它趨之若鶩，成就了它材料界翹楚的地位。然而石墨炔的出現，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(shuí)更勝一籌呢？
先來(lái)說(shuō)說(shuō)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(shí)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，本身重量不足 1 毫克可以承受一只一千克的貓。
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(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會(huì )提升數百倍。
另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光。同時(shí)，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。
作為目前發(fā)現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預言石墨烯將“徹底改變 21 世紀”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
石墨炔應用于鋰離子電池電極材料
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