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科普知识--什么是石墨烯(单层石墨)
FNG 2019-10-21 16:54
定义: 石墨烯 (Graphene) 是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成,碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构薄膜。其厚度只有0.334纳米,仅为头发的20万分之一,被认为是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元,具有极好的结晶性、力学性能和电学性能。 理化性质: 电子迁移率超过15000 cm2/V·s VS 硅1400cm2/V·s 导热系数高达5300 W/m·K 电阻率约10-6 Ω·cm 透光率高达97% 理论比表面积高达2600m2/g 实测弹性模量为1060GPa 制备方法:   目前石墨烯的制备方法主要可以分为物理方法和化学方法两大类。 其他方法及总结:   除以上介绍的常见制备方法外,还有人研究了利用电弧法、切割碳纳米管法、气相等离子体生长技术、静电沉积法、原位自生模板法等制备石墨烯。    如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势,取长补短,解决石墨烯的不稳定性、量产等问题,完善其结构和电性能是今后研究的热点和难点,也是今后开辟新的石墨烯合成途径的关键。   石墨烯以其独特的结构、性质及潜在的应用,越来越引起研究人员的广泛关注,已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。不过目前的制备技术存在石墨烯尺寸小且分布不均、难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈问题;另外,现有的表征手段耗时、容易破坏石墨烯的晶格结构,也制约着石墨烯的进一步研究。 因此,通过不同途径设计和批量制备大尺寸、层数和性能可控的石墨烯是下一步制备技术研究的重点;迅速发展石墨烯的精确表征技术,是石墨烯制备、性能和应用研究的迫切要求。
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JACS:中国科学家解决了石墨转化为金刚石之难题
zhpd55 2017-2-25 18:04
JACS:中国科学家解决了石墨转化为金刚石之难题 诸平 据物理学家组织网( Phys.org . ) 2017 年 2 月 23 日报道 , 中国上海复旦大学与上海大学的研究人员合作,已经解决了将石墨转化为金刚石的难题,在超高压和高温条件下将石墨转化为六角型金刚石。相关研究 2017 年 2 月 6 日已经在《美国化学会志》( Journal of the American Chemical Society ) 发表,详见: Yao-Ping Xie, Xiao-Jie Zhang, Zhi-Pan Liu. Graphite to Diamond: Origin for Kinetics Selectivity (点击可以免费下载原文) . Journal of the American Chemical Society , 2017, 139(7): 2545–2548. 下图是通过随机表面行走模拟,来解释为什么石墨在5-20 GPa 的压力之下会转变成六角型金刚石( hexagonal diamond )而不是形成立方型金刚石( cubic diamond )。 Stochastic surface walking simulations can explain why graphite turns into hexagonal, not cubic, diamond under pressures of 5-20 gigapascals. Credit: Xie et al. ©2017 American Chemical Society 研究者终于回答这个多年来一直困扰科学家的问题 : 当受到了中高压力时 , 为什么石墨变成六角型金刚石,也被称为六方碳( lonsdaleite ),而不是形成像理论所预测的、更为大家熟悉的立方型金刚石 ? 此答案在很大程度上可以归结为一种速度问题,按照化学术语来讲就是反应动力学问题。使用一种全新的模拟 , 研究人员确定了石墨转化为金刚石的最低能量途径 , 并发现石墨转化为六角型金刚石的速度要比转化为立方型金刚石的速度快大约 40 倍。即使立方型金刚石开始的确形成了一些 , 但是也会被大量形成的六角型金刚石所淹没。 我国复旦大学和上海大学的研究人员谢耀平( Yao-Ping Xie , 上海大学微结构重点实验室 )、 张晓洁 ( Xiao-Jie Zhang 音译,复旦大学化学系)以及刘智攀 ( Zhi-Pan Liu , 复旦大学化学系教授 )合作,将他们对由石墨转化过渡为金刚石的新模拟研究结果,在 2017 年 2 月 6 日出版的最新一期《美国化学学会》( Journal of the American Chemical Society )杂志上发表。刘智攀 (Zhipan Liu) 是此项研究的通讯作者。 据 复旦大学网站 介绍,刘智攀 (Zhipan Liu)出生于 1976 年。 2003 年获英国 贝尔法斯特女王大学( Queen ’ s University of Belfast ) 理论化学博士学位。 2003-2005 年在英国剑桥大学化学系表面化学组做博士后研究。 2005 年任复旦大学教授,博士生导师。 2009 年获得国家自然科学杰出青年基金资助。长江学者特聘教授、上海高校特聘教授(东方学者),国家杰出青年基金获得者。已完成和主持科研项目多项,包括国家自然科学基金、上海浦江人才计划、教育部留学回国人员启动基金。研究兴趣包括基础表面化学,金属表面催化、纳米氧化物和金属的催化机理,生物酶催化,第一性理论 ( 密度泛函 ) 计算方法。 刘智攀告诉物理学家组织网: “ 这项工作解决了长期悬而未决的难题 , 即为什么从石墨转化成金刚石会优先形成六角型金刚石 , 而不是一开始就形成立方型金刚石。鉴于石墨转化为金刚石本身就是一种固体到固体的转化模式 , 因此,此项研究对于高压固体物理和高压固体化学的理解应该是大有裨益。 ” 石墨、六角型金刚石和立方型金刚石都是碳的同素异形体 , 这意味着它都是由 碳原子 所组成,只不过是碳原子的排列方式不同而已。石墨由石墨烯的堆叠层构成,原子排列的晶格犹如一个蜂窝似的。由于石墨烯中的碳原子并非完全成键 , 以此石墨烯是柔软并很容易剥落 , 使其适合用作铅笔芯。另一方面 , 就是由已经达到最大成键度(碳原子最多可以形成四个化学键)的碳原子组成的两种类型的金刚石 , 金刚石是 碳原子 的一种结晶体。其中的碳原子都以 共价键 结合,原子排列的基本规律是每一个碳原子的周围都有 4 个按照 正四面体 分布的碳原子 ; 这种结构可看成是由两套面心立方 Bravais 格子套构而成的,套构的方式是沿着 单胞 立方体 对角线 的方向移动 1/4 距离 ; 也可以看成是由许多 (111) 的原子密排面沿着 方向、按照 ABCABCABC··· 规律堆积起来而构成的 ; 每个单胞中包含有 8 个原子,每个原胞中包含有 2 个不等价的原子,是一种复式晶格。由于碳原子的四个价电子都用于形成化学键中的共价键,这就是为什么金刚石是那么的坚硬的原因所在。立方型金刚石通常在珠宝中容易发现 , 所有的晶面层都在同一个方向上。而在六角型金刚石中 , 面向层交替 , 使其具有六角对称性。 在超过 20 GPa( 近 20 万个大气压 ) 的高压下 , 理论和实验一致认为 , 石墨会转变成立方型金刚石 , 其中混有一些六角型金刚石。但在小于 20 GPa 的压力下 , 模拟与实验结果不同,模拟一直预测 立方型金刚石应该是最受欢迎的产品。 这些模拟都是基于这样的预测,即在这些压力之下 , 形成立方型金刚石成核的核心需要的能量要比形成六角型金刚石成核的核心需要的能量更少。因为形成成核的核心是整个过程最耗能的步骤 , 故从热力学角度来讲,立方型金刚石的形成应该比六角型金刚石的形成更为有利。 但这些模拟的一个主要缺点就是他们并没有对石墨和金刚石核之间的界面作出解释 : 两个表面之间的晶格失配可能引起会干扰金刚石稳定增长的应变能。 刘智攀等人的最新研究成果使用了一种被称之为随机表面行走( stochastic surface walking )的新模拟 , 在这项新研究中 , 刘智攀等人可以更彻底地探索石墨到金刚石转化过程中所有可能的界面,并识别在其中 7 种对应于最低能量的中间结构。 总的来说 ,研究 结果表明 , 石墨和六角型金刚石核之间的界面并不那么紧张,而且要比石墨与 立方型金刚石核之间 的界面 更稳定。若以这些界面之间的稳定性为例,终于可以解释为什么 在适当的压力条件之下, 六角型金刚石的形成与 立方型金刚石的形成相比较 会 更容易、速度更快。研究者 补充说 ,对于普通人来讲, 尽管立方型金刚石可能似乎比六角型金刚石钻石更受欢迎,但是,无论是立方型金刚石,还是六角型金刚石这两种 材料都有它们各自的优势。 刘智攀说: “ 虽然在 日常生活中大家对 立方型金刚石是比较熟悉的 ,它也是 一个非常有用的材料 ,而 六角型金刚石也 可以说是 同样非常有用的。 例如 ,根据理论预测形成六角型金刚石甚至要比 立方型金刚石 更加困难。虽然六角型金刚石或者 六方碳( lonsdaleite ) 可以在陨石中找到 ,但是 大型六角金刚石晶体产物在实验中至今尚未实现。人会因此认为大块的六角型金刚石晶体即使 产生 ,其价格肯定不菲,一定 会比立方金刚石更贵。 ” 在未来 , 研究者正在计划 通过来自于 神经网络 以及利用大数据进行 技术 融合 进一步改进 模拟。 更多信息请注意浏览原文或者 New diamond harder than a jeweller's diamond, cuts through ultra-solid materials ; Scientists solve puzzle of turning graphite into diamond
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产生k-path的程序
plgongcat 2014-9-25 17:57
1. 需要知道高对称点的分数坐标(以晶格基矢为基本长度和方向) 2. 利用程序k_PATH.f90,依次输入路径总点数和上述坐标; k-path_dat.f90 (程序) k_PATH.x (编译后文件) 例如,graphene的高对称点 (六角原胞)Gamma(0.0,0.0,0.0),M(0.5,0.0,0.0),K(0.333333,0.333333,0.0), Gamma(0.0,0.0,0.0) (正交原胞) Gamma(0,0,0),M(-0.25,0.25,0.00),K(0.5,0.5,0),Gamma(0,0,0)
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[转载]中国石墨或成下一个稀土:20年内耗尽 美日以购代采
热度 1 lbjman 2014-6-17 08:27
中国石墨或成下一个稀土:20年内耗尽 美日以购代采 2014-06-17 07:26:56来源:中国经济周刊 作为2010年度诺贝尔物理学奖主题,石墨烯(一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,可由石墨获得)进入应用领域已呼之欲出。许多科学家认为该产品是革命性的新材料,将推动电子产业步入新的发展阶段,撬动至少千亿级的产业链。   目前探明的全球天然石墨储量约为7100万吨,其中中国储量约为5500万吨,占全球储量的77%,居世界首位。然而,同样占全球储量的70%以上,同样是国家战略储备资源,石墨却并不如稀土那样受到重视。我国石墨产业并不理想,长期处于产业链条中的原料供应者。   “中国石墨界如果再走低端路线,恐怕就连做苦劳力的资格都没有了!”中国石墨行业协会轮值会长、内蒙古日新集团董事长张彬对中国石墨产业的现状十分担心。他认为,石墨对于工业发展的重要意义,比稀土有过之而无不及。国家层面应该更多地关注这一产业的转型升级。   早在5年前,在能源行业转征战多年的张彬,以51亿人民币的巨资投向了石墨深加工,目前日新集团规模已经成长为中国石墨行业第一、全球第二。   石墨由于其特殊的结构,具有耐高温性、抗热震性、导电性、润滑性、化学稳定性以及可塑性等众多特性,一直是军工与现代工业及高、新、尖技术发展中不可或缺的重要战略资源,石墨应用范围广泛。曾有专家预言:20世纪是硅的世纪,21世纪将是石墨的世纪。    石墨的尴尬:   低价出口原料,高价进口产品   我国石墨出口价格长期保持在每吨3000~4000元人民币之间,但经国外加工提纯再进口至中国,价格便成了10万到20万元人民币每吨。   根据我国海关公布的数据,2010年,我国石墨出口量约为58.55万吨,进口量为7.6万吨。这样的进出口格局已经持续了近30年。   “没有国内下游生产企业的强大,原料出口便没有定价权,没有自主产品在市场上的打拼,进口产品同样会卖我们天价。”张彬告诉《中国经济周刊》,“如果不改变石墨行业的格局,再过20年,中国将无石墨可采!”   张彬的话并非危言耸听,黑龙江省的一份分析报告显示:我国目前约有近千家石墨企业,石墨资源滥采乱掘、采富弃贫、粗放经营、管理水平低的现象比较普遍,开采和加工呈现无序化状态。如果按照目前的开采方式和速度,最多20年,国内已探明的石墨资源将消耗殆尽,届时中国将从国外高价进口石墨,由石墨大国变成石墨贫国。   黑龙江奥宇石墨集团有限公司党委书记刘金柱此前在接受采访时说:石墨初级产品大约以每吨3000元~4000元价格出口,但被加工成一个人工心脏瓣膜,价格高达12万元。   中国工程院院士周玉认为:由于我国并不掌握石墨深加工核心技术,而先进石墨加工技术被美日欧盟等少数国家垄断,导致我国石墨资源“低出高进”,外国“以购代采”的状态长期存在。   与此同时,更多的乱象也发生在销售领域,由于大多为原料销售,市场秩序混乱相互竞价成为常态,致使资源低价流失海外。   全产业链模式初战告捷   谈及石墨产业,张彬认为不缺资金,不缺市场,主要缺人才。   2011年,张彬旗下瑞盛新能源与清华大学合作,开启了世界微晶石墨深加工的攻关之路,进而研究微晶石墨在等静压石墨锂离子负极材料上的性质和应用,填补了国内空白。同年与中科院山西煤炭化学研究所合作开展的高导热石墨材料成为世界领先。2013年底,瑞盛新能源与清华大学在石墨烯基导电剂项目上再度合作。   此外,张彬还曾不惜千万元重金在国内买专利,并组建了100人的科研团队和自己的实验室。目前,瑞盛新能源已经拥有10多项国内专利技术和12个主打产品,虽然投入与产出之间的差距依然很大,但让张彬感到欣慰的是:2013年,瑞盛新能源六大产品上市,中国石墨进口价格明显下降,而一直被一家瑞士企业垄断的一次导电剂产品,在瑞盛新能源全面推出同类产品后,该企业已于2014年元月宣布在中国停止供货。   虽然初战告捷,但张彬并未放松,他认为,全产业链模式仅仅是开了个局。   2010年,张彬开始整合内蒙古石墨矿资源,拿下了中国唯一未被大规模开采的大鳞片天然石墨矿——内蒙古兴和石墨矿,整合了巴彦淖尔市乌拉特中旗石墨矿。由此,张彬一举占据了中国石墨资源的五分之一。   随后,张彬投入33亿元人民币,打造了一个中国石墨高新产业谷。张彬的远景规划是,打造中国唯一一个石墨全产业链生产和研发基地。   石墨应借鉴稀土管控模式   目前,我国石墨产业受制于人的现象明显。张彬举例说,我国核电站使用的“各向同性石墨”几乎全部来自日本的东洋碳素,每吨价格约45万元,成本不过5万元,由于国内长期技术落后,价格主导权一直掌握在美日手中。   张彬认为,企业科技水平提升的保障是行业能在规范的环境下运行,这方面还要依赖于国家和地方对行业的整顿和对企业的严格准入。   由于储量占全国的60%,黑龙江省对石墨的关注度一直较高。2011年,黑龙江省科技厅组织中国工程院9位院士和中国石墨产业领域27位专家谋划石墨产业做大做强的方法和措施。内蒙古则是以矿山资源整合的模式率先清理了小企业的低水平开采,引入龙头企业加大投入力度,开创了一套全新的模式。   业内人士认为,要确保石墨行业健康持续发展,还需要国家借鉴稀土资源管控模式,从全国范围内调控石墨产能,鼓励科技研发,统筹规划石墨产业发展。相关部门应加大对石墨产业扶持、统筹规划石墨产业,保护性开发石墨资源是当务之急。
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如何做重要的问题?
热度 8 skylark1981 2013-12-12 17:32
石墨的相关理论在单层石墨实现之前做得很好,但是实现后一下多了许多。最早的几个理论工作是这样: Landau能级(量子力学中的基本问题) 隧穿效应( 量子力学中的基本问题) Hall效应(固体物理的基本问题) 输运理论 (固体物理的基本问题) 缺陷问题 (固体物理的基本问题) 量子点( 量子力学中的基本问题 ) 为什么面对一个新问题, 我们没有想法? 这是中国学术界的普遍问题。比如有些人面对这个新体系可能会提出来这样的问题:这个东西是否有用? 是否有超导超导? 纳米的石墨会如何? 等等。这些问题都很重要,但是不应该是首先考虑的问题。最根本的问题,应该在课本中去找,而不是在文献中找。我一直提倡这样一个观点: 学生要入门,应该看课本,而不是论文 。这个例子是一个很好的佐证。希望学生和老师不要在(论)文山(论)文海中找想法,其实就在身边。前几天有个学生找我,希望了解Majorana费米子是什么,要我推荐一些论文。我说,不要。我告诉他,Majorana费米子其实是费米子, 满足费米子的基本统计, 但是$\gamma = \gamma^\dagger$。我让他自己回去看量子力学和统计物理,总结一些如果有这个性质,那么书本中的结论有什么变化(包括交换系,统计规律等等), 几天时间,他就理解了这个概念。事实是,我每天都要翻翻书本,我不敢说我完全懂了,尽管已经翻了快10年。 我忽然有一个想法: 宗教徒都是要不断翻阅经书的,但是一定是带着问题去读的。从这点来说,学习是相通的。当然是不是宗教徒的研究都比非宗教徒好,我想可能是的。比如我们可以统计一下宗教徒和非宗教徒的h-index, 这会是一个有趣的结果。它的解释可能很简单:宗教徒有更好的学习方法。
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[转载]石墨导热片
WanghuataoHIT 2013-6-10 11:35
一、背景知识 http://www.graftechaet.com/eGRAF/eGRAF-Home.aspx 见如上连接中的介绍和视频。 将膨胀石墨压缩成石墨片,可用于电子产品中的散热。 我们是想把它做成散热器,即多个翅片的结构。 如果单单是一层石墨片, 也能起到散热的作用。 Graph tech 是石墨散热片的大腕,技术水平很高。上面的连接是它的网站,值得学习 eGRAPH 石墨片用于液晶显示器散热.pdf 石墨散热片在笔记本中的应用 英文 2005.pdf 手机中的石墨散热技术.pdf eGRAF SPREADERSHIELD.pdf 如下是两个有关石墨散热片的介绍 http://wenku.baidu.com/view/2d438acada38376baf1fae2c.html http://wenku.baidu.com/view/e5ba2bf6f90f76c661371a71.html 石墨散热片有两种, 普通: egraph 产品, 使用膨胀石墨辊压而成 高端: panasonic 产品, 用高分子材料高温 高压热解而成 PGS 二、基础知识 炭素知识 材料科学国家实验室 http://carbon.imr.ac.cn/carbonknowledge/index.htm 三、工业产品 1. 松下 石墨导热片 http://industrial.panasonic.com/ea/i/00000/led_solution_cn/led_solution_cn/pgs_cn.html 2. CFC http://www.cfccarbon.com/Pyrolyticgraphite/hopg.html 3. Cofan USA http://cofan-usa.com/high-thermal-graphite-sheet 4. 台湾 CeTech 导热片 http://www.ce-tech.com.tw/chinese/ccc-05.html 5. 常州 碳元 http://www.tanyuantech.com/product.asp 6. 深圳 跨越电子 http://www.coyomo.com/Products/GSMdaoreshimopian1.html 7. 深圳 佳日丰 http://www.jrfcl.com/index.php?_m=mod_product_a=viewp_id=241
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[转载]膨胀石墨
热度 1 WanghuataoHIT 2012-10-28 14:59
膨胀石墨的制备与应用 高导热石墨材料微观结构与其导热性能的关系研究 膨胀石墨薄片-热固性树脂复合材料 专利 2012.pdf 鳞片石墨 膨胀石墨 电路板 授权 专利 2009.pdf 聚酯石墨纳米 专利 2006.pdf 导电石墨乳 专利 2012.pdf 树脂浸渍的柔性石墨制品 专利 2012.pdf 柔性石墨地板散热 专利 2006.pdf 高频加温石墨 专利 1994.pdf 膨胀石墨制品-德国 英文.PDF 膨胀石墨-金属复合材料 英文.PDF 膨胀石墨的导热率和机械性能 英文 2009.PDF 压实膨胀石墨的异向热导率和渗透率 2010 英文.PDF 膨胀石墨散热片的导热性能 2005 英文.PDF 膨胀石墨散热片的发展 繁体 2004.PDF 膨胀石墨用于电子产品的冷却 英文 PDF.pdf 柔性石墨散热片的应用 英文 2010.PDF 利用天然鳞片石墨制备高导热碳基复合材料的研究 2008.PDF 柔性石墨散热片专利Graftech P5902762.PDF 层状石墨片工艺 专利Graftech P583080.PDF Graftech P7166912.PDF 鳞片石墨 碳纤维 US Patent 7723419 Composition providing through plane thermal conductivity.PDF
个人分类: 科普|54 次阅读|1 个评论
[转载]全球首款石墨稀处理器问世
热度 1 sincos 2012-4-8 13:36
[转载]全球首款石墨稀处理器问世
全球首款石墨稀处理器问世 2012-4-6 11:06:37 【字体: 】     位在波兰Bytom的DigitalCoreDesign是全球知名的设计实验室,该机构日前宣布,已经开发出全球首款采用石墨稀(Graphene)制造的处理器──BYT-ON。       2004年,人们首度发现石墨稀是一种碳同位素异构体(allotropeofcarbon)。石墨稀是由单层碳原子紧密堆积成蜂巢状的平面二维晶格结 构,它与许多传统材料截然不同。石墨稀本质上是一种半金属或零间隙的半导体。其E-k关系在接近二维六角形布里元区(Brillouinzone)的六个 角附近是低能带线性的,这导致了电子和电洞的有效质量为零。由于这些在低能带的线性扩散效应,接近这六个点的电子与电洞会表现出如同狄拉克方程式 (Diracequation)针对自旋1/2粒子所描述的相对论粒子(relativisticparticles)行为。      最 终结果便是获得能以相对论速度传输电子讯号的石墨稀导体,以石墨稀为基础的电晶体能够达到比传统矽元件快上许多数量级的开关速度,而且功耗更低。石墨稀一 直是科学研究人员梦寐以求的材料,事实上,2010年,曼彻斯特大学(UniversityofManchester)的AndreGeim和 KonstantinNovoselov便是以「Forgroundbreakingexperimentsregardingthetwo- dimensionalmaterialgraphene」获得诺贝尔物理奖。      DigitalCoreDesign在其BYT- ON处理器中使用石墨稀,是电子学领域的一大创举。他们并未采用矽架构来建立传统积体电路的方法,而是使用多环芳香族碳氢化合物 (polycyclicaromatichydrocarbons)。“我们我们才刚刚在2011年底展开测试,结果远远超出我们的预 期,”DigitalCoreDesign发言人TomaszCwienk说。“我们在一款最新的平板电脑中,用新的石墨稀BYT-ON处理器取代了既有 处理器。我们已经知道BYT-ON的功耗可以降到最低,但我们很惊讶地发现,这部平板电脑从2012年一月份开机并以各种方式来执行以来,一直到2012 年三月底,整整三个月,我们都不必再为电池充电。”      能够获得这种革命性的成果,或许是由于DigitalCoreDesign所 设计的专有架构(该公司已经累积了12年之久的开发经验),这将让石墨稀在电子产业开启全新的应用可能性。这种被应用在BYT-ON处理器中的架构称之为 CISKoRISK2ndGeneration──它能以99.13%接近光速的速度来执行所有的操作程序,而且功耗要比等效的传统矽元件减少 99.85%。      编者按:业界现在也传闻全球前十大的FPGA供应商也开始秘密和DigitalCoreDesign商讨,打算将 基于石墨稀电晶体架构的BYT-ON作为其在下一代FPGA的基础。在FPGA中采用这项技术的其中一大优势,是采用石墨稀电晶体建构的记忆体单元(包含 可配置单元在内),其速度可较SRAM快上几个数量级,密度也会比DRAM和非挥发快闪记忆体高出几个数量级,但功耗却趋近零。此外,石墨稀电晶体也能免 除幅射干扰,这让该技术更加适合航太应用,包括太空探测在内。 Source: http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=25579 图source:http://www.eetimes.com/electronics-blogs/other/4370188/BYT-ON---World-s-first-graphene-based-processor--graphene-based-FPGAs-to-follow-
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禁带内导电
热度 2 kesbabacorn 2012-3-26 13:23
禁带内导电 读初中时,伯父给我一个莹石晶体,已沿晶面切成斜方体,带回来后,我无意中发现 它切开的晶面导电,而其他位置不导电,我不明原因,告诉了伯父.读高中时,看到化学辅导材料上石墨的晶体结构,便猜想很多,一,单分子膜的石墨可作为分子筛.二,膜 法向的p轨道相互重叠,电子同自旋,我断定这一层电子肯定导电,后来想到可能是超导体,可以用来造隐形飞机。当然,层间绝缘使它成为良好的超级电容,用来 储电驱动汽车。 不知是谁先,总之现在我看到这些都成为了现实。
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激活低压人造金刚石的反应机理
热度 4 jitaowang 2011-5-14 03:39
激活低压人造金刚石的反应机理
作者 王季陶 虞忠衡老师发表了评论意见 . 要回复可能需要一些图 , 因此仍以博文单独回复 . 删除 回复 yuzh 2011-5-13 09:44 你文中的两个反应,是不是属于化学反应是可以商榷的。你根据啥,可以断定它们是化学反应,为何不可能是物理吸附?它们的反应焓多少,在两步反应中,产物的构型是如何变化的,也是说氢化产物空间构型与原料和最终产物的够构型有啥差别 ? 这些问题,在你的文中都没有涉及 . 我总是感到,讨论一个反应,仅仅涉及热力学是远远不够的,一个热力学可行的反应,在动力学上有可能是毫无意义的。 对是不是化学反应非常容易解决 . 只要看一个微波或射频激活的封闭实验装置如图 1: 图 1 体系中最初是氢气 . 通过等离子体激活产生的超平衡氢原子就可以使石墨腐蚀和金刚石生长同时发生 . 显然这时封闭体系中的气体已经不是单纯的 H 2 , 同时一定包含了各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ). 因此在此封闭体系中一定是发生了化学反应 . 光谱研究也证实了这一点 . 在热力学耦合模型中所讨论的反应 (1) 和反应 (2) 都仅仅是简化的反应代表而已 . 至于反应机理请看图 2: 图 2 在石墨 1000 表面上的团簇非常类似于物理吸附的不饱和具有大 p 键苯等芳香烃 . 而在金刚石 111 表面上的团簇非常类似于化学吸附的饱和具有 s 键环己烷等脂肪烃 . 在超平衡氢原子的作用下 , 不饱和具有大 p 键苯等芳香烃很容易发生加成反应 . 经过大 p 键破裂 , 甚至分解成气态的小分子各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ). 但是在金刚石表面上的团簇 , 都是 C-C 或 C-H 等饱和的 s 键 , 很难和超平衡氢原子反应 ; 而是气态的小分子各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ) 在金刚石表面上分解而团簇生长 . 总的结果是 : 石墨被腐蚀而金刚石在生长 . 这样的反应机理再简化就得到图 3. 用双箭头来表示耦合反应 . 这种双箭头的耦合反应在生命科学是非常流行的 . 或者说 , 在生命科学中有着大量耦合反应 . 甚至 “ 耦合反应 (coupled reaction)” 这个名词也是首先由生物化学家在研究生化反应时首先提出来的 . 对耦合反应机理的讨论能够进入原子的层次 , 则又得借助于激活低压人造金刚石的研究 . 更详细的实验事描述和机理讨论就请参见我的几本热力学专著了 .
个人分类: 现代热力学|6012 次阅读|11 个评论
最“坚硬”的理论相图, 还坚硬不坚硬?
热度 4 jitaowang 2011-5-8 15:06
最“坚硬”的理论相图, 还坚硬不坚硬?
作者 王季陶 在前面我写过一篇博文 “ 20 世纪后期最 “ 坚硬 ” 的科学实验 --- 激活低压人造金刚石的科学发展史 ”. 由于金刚石一直是人们心目中的财富象征 . 人造金刚石探索也有上百年的历史 . 从 1938 年开始 , 罗西尼 (F.D. Rossini) 和 耶瑟帕 (R.S. Jessup) 就 根据金刚石和石墨的燃烧热 , 比热 , 压缩率 , 热膨胀系数等数据 , 推算了在 1200 K 以下的石墨和金刚石两相平衡曲线 . 此后勃欧曼 (R. Berman) 和 西蒙 (F. Simon) 后来又作了一些修正 , 并用吉布斯自由能的变化 D G 作为两相平衡的基本判据 . 把石墨与金刚石两相平衡线外延推到 1200 K 以上 . 这就是在人造金刚石领域人们熟悉的 勃欧曼 - 西蒙线 (Berman-Simon 线 ) . 其数学表达式为 D G 1 (kJ mol - 1 ) = { p (Pa) - } D V (m 3 × mol - 1 ) . 具体对石墨 C(gra) - 金刚石 C(dia) 转变反应 : C ( gra ) = C (dia), 根据 热力学的数据表 , 石墨 和金刚石 的 标准生成热和标准熵值,可以计算得到标准状况下反应的吉布斯自由能 D G 0 298 是 2.87 kJ × mol - 1 , 大于零 , 是一个非自发反应不可能自发进行 . 已知标准状况下两者的密度分别为 2.261 10 3 kg × m - 3 和 3.513 10 3 kg × m - 3 . 如果希望 通过改变压强来使石墨转变金刚石的吉布斯自由能变为负值, 即 要求 D G ( p ) 0, 通过 就可以计算出所需的压强 . 结论是 : 必须 p 1.52 10 9 Pa, 约相当于大气压的 15000 倍 . 因此可以预言在高压下石墨有可能自发转变生成金刚石 . 在热力学的理论指导下 , 20 世纪 50 年代的高压人造金刚石的成功轰动了全世界 . 同时作为热力学理论指导也进一步完善 , 其中最有力的武器就是相图 . 以下就是一张元素碳的平衡相图 , 也可以称为人造金刚石的相图 ( 见图 1). 图 1 碳的平衡相图 请看 1955 年催化高压法成功以后 , 又出现了高温高压法和爆炸法的人造金刚石技术 , 也都证实了这一 “ 坚硬 ” 的金刚石相图的正确性 . 因此也有一些热力学家就超前地预言 : 低压人造金刚石是不可能成功的 , 或者说 , 连试也不用试的 . 然而 , 实验才是检验理论是否符合客观规律的最高标准 . 约 1970 年以后前苏联学者 Deryaguin 等成功地得到了低压人造金刚石 ( 又称激活 CVD 法人造金刚石 ) 薄膜和细小的美丽晶体 , 西方学者嗤之以鼻称之为 “Alchemy( 点金术 )”. 日本学者 Setaka 等就按照前苏联学者的思路探索 , 到 1980 年果然也得到成功 , 1982 年也连续公开发表论文 , 而且工艺简单明确 . 但是对西方仍然很少有影响 . 1984 年美国 Roy 参观了 Setaka 实验室 , 亲眼看到了极其简单的实验装置 ( 见图 2) 又在显微镜下亲眼看到美丽的低压人造金刚石晶体 . 图 2 激活 CVD 法低压人造金刚石装置 到 1986 年初 , Roy 就重复得到了低压人造金刚石 . 他没有马上发表论文 , 却是先 “ 炒作 ” 召开了记者招待会宣布了这一成果是真的 ! 他没有剽窃 , 而是说明 : 低压人造金刚石是前苏联和日本学者先做出来的 , 他是美国第一个重复出来的 . 接着当然是轰动全世界 , 这样的 “ 炒作 ” 对不对呢 ! 于是关键就是这张 “ 坚硬 ” 金刚石的相图 ( 图 1), 还 “ 坚硬 ” 不 “ 坚硬 ”? 从图 1 中可以清楚地看到 : 激活 CVD( 化学气相淀积 ) 法人造金刚石的实验区域是处于金刚石亚稳区 . 那么为什么不生长稳态的石墨而是生长亚稳态的金刚石呢 ? 诀窍在哪里 ? 就在 “ 激活 ” 两个字 ! 图 2 中就是一根 2400K 的钨丝 , 用来分解氢分子生成大量氢原子 ( 称为超平衡氢原子 , SAH, 即 Super-equilibrium Atomic Hydrogen). 每一个在低压人造金刚石领域中工作过的人都应该知道 : SAH 的存在是能够实现低压人造金刚石的关键 . 激活产生 SAH 的方法很多 , 图 2 的方法叫热丝法 , 还有微波法 , 射频法 , 等离子体法等等 , 总之必须从外部提供能量 , 不是一个平衡体系 . 显然图 1 的平衡相图是不适用的 . 关于低压人造金刚石的大量实验事实和理论的应用可以说就是我的 2002 年的一本英文专著 : 书名就是 “Nonequilibrium Nondissipative Thermodynamics with its application to low-pressure diamond synthesis”. 而如今在我的 “ 现代热力学 - 基于扩展卡诺定理 ” 的中英文版中 , 也都是用了第 6, 7, 8 章三章的篇幅来加以表述 . 在此只能简化到几句话 , 即通过定量化地计算得到了一系列适用于低压人造金刚石的非平衡相图 . 理论计算的非平衡相图和世界范围的大量可靠实验数据相符就是对我们理论的一个明确证明 . 在国际上也有明确的评价 . 以下仅仅列举一张对比图 , 见图 3. 图 3 图 3 的左面是我们 1997 年发表在 J. Materials Research 上的理论计算的碳氢氧三元体系的低压金刚石生长非平衡相图 . 图 3 的右面是英国学者 Aschfold 等在 2001 年发表在 PCCP 上的实验的碳氢氧三元体系的低压金刚石生长相图 . 显然他们并看到我们的论文工作 , 但是这丝毫没有影响 . 他们的实验工作完全证实了我们的理论工作 . 最“坚硬”的理论相图 , 还坚硬不坚硬 ? 答案是图 1 和图 3 等都是最“坚硬”的理论相图 , 前者适用于平衡条件下 , 后者适用于具体的非平衡条件下 , 都是坚硬的理论相图 ! 理论和实验相符 !
个人分类: 现代热力学|13836 次阅读|14 个评论
科网群英烩 王茂章 研炭翁说碳
热度 3 readnet 2011-3-28 20:29
王茂章 研炭翁说碳(一) 已有 796 次阅读 2011-1-12 09:41 | 个人分类: 未分类 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:碳,炭 研炭翁说碳(一) 说说“碳”与“炭”的区别 “降低煤炭消耗,提倡低碳生活”,同样都是“ tan ”为什么一个用“碳”另一个用“炭”两者有什么区别呢?为什么有时有“炭材料”,有时又有“碳材料”见诸报章杂志?对于从事“炭材料”的专业人员来说,这些已不是问题,但一些普通读者却常感到困惑,有时一头雾水,因此研炭翁在说“碳”之前先给大家一个交代。 其实,“炭”“碳”区分早在上世纪 80 年代,我国煤炭科学界老前辈黄启震就经过仔细考证,追本溯源,对炭与碳的起源,用法以及当时存在的两者混用的原因做了详尽地论述,提出了正确区分使用的建议,(见“炭素技术” 1986No.429 )随后国内炭材料界的同仁大多数认同了这一建议,特别是国内重要学术刊物“新型炭材料”在上世纪末改版时更明确了这一点( ” 新型炭材料 ” 1998 No.3.63 ) “炭 ” 是古已有的汉字,早见于后汉“说文解字中”,在“碳“字出现之前,不管是天然炭(煤炭)还是人造炭(木炭、煤炭)都用的是“炭”字。“碳”字则是在上世纪 30 年代,随着近代自然科学发展,特别是化学元素的发现和发展才在我国出现的,当时民国政府教育部在“化学命名原则”中,明确将元素周期表中原子序数第 6 号的“ C ”命名为非金属类中的“碳”。 英语“ Carbon” 和日语“炭素”一词概指碳元素,又指炭材料。材料和元素属两种不同概念,用同一词表示必然性常引起混乱。“国际碳术语与表征委员会”曾建议将元素碳( Carbon as element )和材料类( Carbon as Solid )加以区分,并提出一些办法,但仍不能解决问题。我国的汉字恰好有对应的“炭”和“碳”两字,因此我们应很好地沿用这两个汉字的文化优势。 基于上述原则“全国科学名词审定委员会”早在 2003 年 4 月便提出了征求意见稿,将“炭”“碳”二字的用法予以明确区别。 2006 年“中国科技术语”(当时为“科技术语研究” 2006 No.3 )进一步规范了这两字的用法。 简而言之,凡对应元素 C 及其相关的衍生词派生词均用“碳 ”, 如碳元素,碳键,二氧化碳,渗碳等,而以含碳元素为主的其他物质和材料则用“炭”,如煤炭、焦炭、炭黑、炭纤维等。 “碳化”是指溶液中通过 CO 2 生成碳及碳酸盐的过程而“炭化”指有机物热解后生成“炭”的过程; “炭材料”一般指有机物炭化后形成的材料,如炭纤维、炭电极、活性炭等;“碳材料”则指含碳元素在 99.9% 以上的物质,如碳纳米管、碳 60 等。 这样也就不难理解本文第一句话中煤炭要用“炭”,而低碳生活是指倡导在日常生活中降低温室气体二氧化碳的排放量,当然就要用“碳”字了。 IP: 183.184.48.* 举报 aaa898 2011-1-12 21:16 向王老师请教个问题: "炭"纤维中有其他化学元素吗?按照这个定义,是否称"碳"纤维更合适? 博主回复:普通炭纤维中仍然还有氢、氧、氮等微量元素,因此应该叫作“炭纤维”,只有经过3000度左右石墨化的炭纤维才可称其为“碳纤维”,但是习惯上都叫作石墨纤维了。 举报 Ising 2011-1-12 13:28 Ising将您的文章推送到 析万物之理 , 博主回复(2011-3-4 08:00) : 谢谢关照! IP: 133.5.149.* 举报 一个匿名的熟人来问好 2011-1-12 09:57 炭材料大家进入科学网了,热烈欢迎: 向王老师请教个问题:“碳元素在99.9%以上的物质,如碳纳米管、碳60等”:(1)有这种说法,当碳纳米管的直径100nm时,即称纤维了,那么,例如,对于200nm的,应该成为纳米碳/炭纤维呢?(2)高温石墨化后的炭纤维的C含量应该能够高于上述数值,那么此时的炭纤维是否能称为碳纤维?当然了,常常叫石墨纤维。 博主回复:谢谢您的关注,提出了一个很有意思的问题。一般来说,炭是指碳/氢比大于10的固体材料。但氢量少到多少才被看作是碳,并无定论。因此,高度纯化的含碳固体物质似乎也可以是碳材料,如您所说的纳米碳纤维或石墨纤维等。正因为如此“中国科技术语”在规范时也作了变通,这种情况下,“炭”“碳”两者均可用。而包括“炭”“碳”两种的材料,则可统称为碳质材料。 研炭翁说碳(二) 浅谈石墨烯 精选 已有 2526 次阅读 2011-1-12 10:22 | 个人分类: 未分类 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:石墨烯,笔痕,碳纳米管,足球烯 随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学51岁的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁.诺沃肖洛夫之后,“石墨烯”这一专业名词突然进入人们的眼帘,并广为人知,但石墨烯是什么,它存在于何处,用什么办法可以制得,它又有什么实用价值,知道的人可能并不多。 就在我们身边,铅笔痕中就有 其实,石墨烯就在我们身边。铅笔痕中就有,当你用铅笔在纸上书写时,铅笔痕中就很可能有数十甚至上百层的石墨烯,大家都知道铅笔是有石墨加粘土制成的。石墨含量越多,字迹就越黑,6B铅笔芯是由80%石墨加20%粘土制成,字迹越黑表示字迹中石墨烯的层数也就更多。早在1564年德国就已经开始用石墨工业规模制造铅笔,但是直到1779年人们才知道石墨是碳元素的一种物质形式,并用希腊词意为“写”的“graphite”为其命名。石墨是一层层的按六角形排列的碳原子网面,因层间分子间的相互作用力而平行堆叠,其中的每一张网平面就是石墨烯。如同一张铁丝网,如图1所示。 图 1 碳原子形成的石墨烯网面 石墨烯层与相邻层之间的距离仅为0.335纳米(每一纳米为1毫米的百万分之一)。由于层间仅靠较弱的分子间相互吸引,因此只要在书写时稍加用力,铅笔芯内石墨中的石墨烯就会粘附在纸上,由于许多层的强烈的吸光能力而呈现黑色,形成字迹。 为何叫“石墨烯”,其尺度有多大? 在有机化学中碳原子间有碳双键的烯烃类化合物,如,乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯(benzene),命名时均以ene结尾,石墨烯是石墨中的一个单层,该单层又全部由碳原子经原子间的双键和单键联成的六角苯环状的网平面构成,因此被命名为graphene,当然其中文译名也就相应地成了“石墨烯”。 石墨烯是碳原子之间,如同手拉手一样,相互成键形成的一种碳分子,随加入碳原子数量的增多, 网平面就能不断扩大,其分子也就随之变大 。因此其尺度也就可大可小。 单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即只有0.335纳米,这一厚度约为头发的20万分之一,这样1毫米厚度的石墨中就将近有150万层左右的石墨烯。其实,任何物质都有长、宽、厚度,可以说都是三维的,但习惯上当某一方向为纳米级时,便认为可将其忽略。那么。究竟多少层才可算做是二维石墨烯材料?由于石墨烯的电子结构等性能随层数增加急剧改变,因此目前较为一致的意见是单层、双层、多层(3-10层)三种都可算是二维石墨烯材料,而超过10层的就被认为是石墨薄膜。 图 2. 石墨烯及其形成的不同性质的各种同素异性体。 如插图2所示,石墨烯作为基本结构单元,不但能堆叠成立体的三维石墨,还可以单层或多层包卷起来,形成以长、宽、厚都极小的零维足球烯(碳60)为代表的各种富勒烯,也可单张卷成只有长度的一维碳纳米管,由同一元素碳可形成具有不同性质和形态的各种同素异性体。 完美原子晶体,奇特物理性能 虽然石墨烯早就为专业人士所知晓,但物理学家一直认为随物质厚度的降低,它变成蒸汽的温度也会急剧减小,当减小到单分子层时就会变得极不稳定,从而断定只有单原子厚度的石墨烯不可能单独存在。然而,2004年,海姆和诺沃洛夫第一次将目前世界上最薄的物质石墨烯分离出来,并成功地进行了一系列物理性质的测定,正如诺贝尔物理奖评审委员会指出,由于对这一“完美原子晶体”的“开创性实验”和“分离、认定和分类”,仅在6年后的今天两人便因此而获奖。 当然,如果石墨烯本身如果没有特殊的性能和极为宽广的应用前景,也不会如此受到人们如此的重视。正如海姆所说:“它是目前已知的、世界上最薄的材料,也是有史以来所见过的、最结实的材料”。 石墨烯最大的特性是 石墨烯中电子没有质量, 电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 石墨几乎是矿物质中最软的 ,其莫氏硬度只有 1~2 级,但被撕开成一个碳原子厚度的 石墨烯 后,性能会发生突然变化,其硬度比莫氏硬度 10 级的金刚石还要高,但却又有很好的韧性,而且可以弯曲。 如果将一张保鲜膜大小的石墨烯盖在杯子上,要想用一支铅笔戳穿它,就需要有像一头大象站在铅笔上的重量才行。 石墨烯 强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。 研究发现要使1米长的石墨烯断裂,需施加相当于55牛顿的压力,也就是说,用其制成的包装袋将可承受约两吨的重量。石墨烯的重量又非常轻,几克这种材料就能覆盖整个足球场。一平方米的石墨烯重量不到1毫克,仅相当于猫的一根胡须重,但是却可以承受整个一只猫的重量。石墨烯中碳原子间连接非常柔韧,受力时网面像吊床一样产生弯曲来保持其结构的稳定。其柔韧性和塑料薄膜一样,可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。单层的石墨烯可使许多基础物理实验成为可能,例如量子力学效应,超导特性等,石墨烯只有长宽的二维形式是研究基础物理的最佳维度,它使物理研究更为丰富。石墨烯在接近“量子临界点”时其电子的行为就像一种近乎完美的液体(具有高度湍流性、极低的黏性)。石墨烯的这种不同寻常的低黏度及强烈的电子相互作用,为一些有趣的纳米电子应用提供了可能。通常情况下,材料的电阻不会随电压的改变而改变,但在石墨烯中却有这种可能。更为突出的是,石墨烯的传热速度比银和铜的高十多倍。单层石墨烯几乎完全透明,吸光率仅2.3%,但它却又十分致密,即使最小的气体原子氮也无法透过。 不同途径得到,方法多种多样 鉴于石墨烯极其广阔的应用前景,人们正力图寻找各种各样的方法来得到它,当然首先想到的是如何将石墨一层一层的分离。海姆等首先用所谓“机械剥离法”,其实就是用胶带纸将排列得特别整齐的高取向石墨反复粘贴撕开,最后将粘在带上的石墨烯转贴到硅片上,然后用溶剂将胶带溶去,在硅片上就可以得到单层或少数层的石墨烯。这一方法比较简单,所得石墨烯也比较完整,可供进一步的性能研究,但是其产量低,很难制造大面积的材料。 化学工作者想到用“化学剥离法”,通过化学反应将非碳原子插入到层间,使石墨层撑开,降低层间的引力,然后在水或溶剂中用高频超声波振动将氧化后的片层分开,分开的片层再通过化学方法或高温使之脱氧还原成石墨烯。这一方法易于规模化制备,但是氧化等化学反应及超声处理和还原反应往往会造成石墨烯中碳原子的缺损,得到的石墨烯质量不高,性能较差。然而,最近“科学”杂志报道,单纯通过纳米加热也可将绝缘的氧化石墨烯转化为功能性导电纳米线,整个过程只需一步完成。 图3.化学剥离法示意图 化学气相沉积法是用含碳原子的气态有机物如甲烷(CH 4 )、乙炔(C 2 H 2 )等在镍或铜等金属基体上高温分解,脱除氢原子的碳原子会沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。这一方法简单易行,可大面积成长,且所得石墨烯较完整,质量更好,转移到其它基体上使用也不困难,目前已成为主要方法之一。 还有在一种晶体上生长出了另一种晶体层的外延生长法,例如在高温和超高真空使单晶碳化硅“(SiC)中的硅原子蒸发,剩下的碳原子经结构重排形成石墨烯单层或多层,这一方法也可得到大面积的单层石墨烯,且质量较高。但单晶SiC的价格昂贵,生长条件也苛刻,生长出的石墨烯不易转移到别的基体上使用,主要用于以SiC为衬底的石墨烯器件。 除此之外,还有溶剂加热法、静电沉积法、微波辐射法、有机合成法等等。总之,石墨烯的研究热也促使人们正极尽全力通过不同途径以求经济、简便、快速地制得大面积高度完整的石墨烯。 应用前景无限,有望改变生活 实际应用时,石墨烯的用途或许不可限量,海姆表示:“ 我希望石墨烯能像塑料一样改变我们的日常生活 。 ” 作为一种新“超级材料”,石墨烯可用于制造卫星、飞机、汽车,并应用于超级计算机的研发。石墨烯有望给微电子世界带来革命性变化。石墨烯将代替现有晶体管的材料硅,使电脑运行速度更快。石墨烯的应用将主要集中在场效应管、触摸屏、太阳能电池、复合材料等领域。石墨烯的电荷载体有高迁移率,使之可制成室温下的弹道晶体管,其开关时间有可能缩减到10-13秒以下,并且能在太赫芝的超高频率下运行。超导电子器件耗能少且开关时间更短,石墨烯的另一潜在应用是制作超导晶体管。 目前,集成电路晶体管普遍采用硅材料制造,当硅材料的尺寸小于 10 纳米时,用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到 1 个分子大小的单电子晶体管。此外,石墨烯高度稳定,即使被切成 1 纳米宽的元件,导电性也很好。因此,普遍认为石墨烯将会最终替代硅,从而引发电子工业革命。 通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体,因此可在双层石墨烯的1平方毫米的片上装有数以百万计的不同的电子设备,并且这些装置可随意改装。而石墨烯发光二极管将能发出任何远至中红外范围的频率,它甚至可以用于激光材料,产生从太赫兹到红外的宽频率。 石墨烯拥有超凡的坚硬度、柔韧度、透明度和导电性,可以广泛应用于触摸屏和太阳能电池的制造中。韩国三星公司已在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出一块电视机大小的纯石墨烯,并用该石墨烯制造出一块柔性触摸屏。这是制造更加坚硬、廉价以及更加柔韧的透明电子器件的第一步。从理论上来讲,今后人们有可能将iPhone手机卷起,然后像铅笔一样将其别在耳后。 石墨烯和单个心肌细胞之间能形成稳定接触,从而可实现对细胞中电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测,将进一步发展为高集成纳米生物传感阵列。 超级电容也称双电层电容器,是一种新型储能装置,能在几秒钟内完成充电,同时它还具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点,在数码相机、掌上电脑、新能源汽车等领域都有着广泛的应用价值。由石墨烯制得的新电容器效率更高,能在更短的时间内完成充电。 氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2小时后,对其抑制率可超过90%,氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料,而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小,有望在环境和临床领域得到广泛的应用。 在检测气体时石墨烯具有很低的噪声信号,可精确探测单个气体分子,使之在化学传感器和分子探针方向有潜在应用前景。已证实石墨烯可以吸收大量氢气,因而可望用于储氢器材中。和其它结构相比,石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度;并且是单原子平面的二维晶体,将在高灵敏度检测领域具有独特的优势。 低成本的石墨烯使之作为增强填料在复合材料方面具有吸引力。石墨烯的大表面和体积之比以及高的导电率,可提高电池效率有可能取代炭纤维,炭粉等传统材料,并将能降低超坚固炭/炭复合材料的成本,炭/炭复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域具有广泛的用途。将石墨烯与塑料复合,也可以凭借其韧性,创制出兼具超薄、超柔和超轻特性的“新型超强材料”。石墨烯不仅可制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的“太空电梯成为现实。 由太空电梯进入太空的成本将比通过火箭便宜很多,但其最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达3.7 万公 里 并且足够强韧的缆线,科学家证实石墨烯完全适合用来制造这一缆线。    研发成为热点,仍需不断努力 石墨烯是一种有可能颠覆人类生活的产品,几乎可用在各种不同领域。尽管 自2004年以来,已有大量石墨烯专利申请,石墨烯的产量也不断增加。 但是,目前全世界还无法实现石墨烯的规模化生产,石墨烯生产方面仍然处于探索阶段,一克石墨烯甚至可卖到 5000 元,几乎超过黄金价格的 15 倍。除了还不能找到合适方法扩大生产外, 要真正大规模应用,也还有很多的困难,研发之路仍相当长。目前石墨烯的面积还不能做得比较大,一旦做大,表面就很容易变得坑坑洼洼,很难成为严格的二维平面。另外,各种制备方法都可能使原本应该是标准六边形的石墨烯丢失其中的某些碳原子,形成有缺陷的石墨烯。因此,要能大规模地应用石墨烯,首先就要先解决能大规模地制作没有杂质、形状完整、面积较大的石墨烯。 当前,国内外众多物理、化学和材料方面的研究团队正在全力攻坚,与石墨烯相关的新成果不断涌现、日新月异,可以期待在不久的将来,石墨烯将成为一种普通的材料,其应用也将深入到我们生活的每一个角落。 举报 csm123 2011-3-15 19:45 现在这个确实是研究的热门 博主回复(2011-3-16 08:03) : 是的。 举报 hanyuhonest 2011-3-14 21:25 你的QQ号,我传给你吧! 博主回复(2011-3-16 08:03) : 谢谢!qq号为1040961443. 举报 Kingman130 2011-3-9 17:55 王老师您好,我是做电极催化材料的一名学生,要用到石墨烯,石墨烯经Hummers法,还原氧化石墨得到,但得到的氧化石墨该如何分离纯化呢?我用了过滤的方法,但最后滤纸堵住了怎么也滤不下去,而且溶液也由原来的棕黄变成黑色粘稠液体,水洗涤基本滤不下去;后来又用离心的方法进行分离,但将固体洗出后再溶在水里又形成粘稠的液体了,请问王老师我该如何来提纯呢?谢谢! 博主回复(2011-3-14 18:30) : 很抱歉,没及时注意到你的问题,回复较晚。过滤时不要用普通的滤纸,可用上海亚兴净化材料厂生产的混合纤维素酯制“微孔滤膜”。或者用我们发现的气液界面自组装成膜。具体内容可参考“新型炭材料2008,23,No。4,345与Advanced Materials 2009(29)3007-3011. IP: 222.79.245.* 举报 匿名 2011-2-28 13:59 伪学者,“如果将一张保鲜膜大小的石墨烯盖在杯子上,要想用一支铅笔戳穿它,就需要有像一头大象站在铅笔上的重量才行。石墨烯强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。研究发现要使1米长的石墨烯断裂,需施加相当于55牛顿的压力,也就是说,用其制成的包装袋将可承受约两吨的重量“。 你知道这句话的意思吗? 博主回复(2011-3-16 07:59) : 谢谢你的评语,我将自勉。 举报 hanyuhonest 2011-2-2 08:45 王老师,不知道你有没有关注过理论上的一些文章,只靠SP2杂化就能够形成的三维的C结构,这是不是指石墨.目前我所看到的文章中至少有13种这样的结构了.也不知道在实验上是不是存在这样的全sp2-3D carbon.十分感兴趣那些完美的结构. 博主回复(2011-3-14 18:38) : 一般说来,Sp2杂化只能形成平面网结构,要形成三维必须有Sp杂化参与,例如富勒烯等。石墨是平面石墨烯分子靠分子间范德华力形成的分子晶体。然而理论上Sp杂化有时也能形成三维结构,如Bct-4碳,又称为3d-Sp2碳,实际上尚未能成功制得这类结构的碳。你看到的文章发表在哪里?请介绍给我,先谢谢了。 举报 graphenechip 2011-1-26 06:29 众所周知,石墨烯与衬底之间可以插层很多碱金属(甚至包括非金属),从而减轻石墨烯与衬底之间的相互作用,但是不知道碱金属是从什么位置或者间隙插进去的?一般而言是从边缘的缝吧,但是又如何全部插进整个层间面的呢? 王老师的博客可以留言讨论了啊,我好专门发问了帖子针对这个问题。 我的看法是:既然石墨烯在接近“量子临界点”时其电子的行为就像一种近乎完美的液体(具有高度湍流性、极低的黏性)。石墨烯的这种不同寻常的低黏度及强烈的电子相互作用,为一些有趣的纳米电子应用提供了可能。通常情况下,材料的电阻不会随电压的改变而改变,但在石墨烯中却有这种可能。更为突出的是,石墨烯的传热速度比银和铜的高十多倍。单层石墨烯几乎完全透明,吸光率仅2.3%,但它却又十分致密,即使最小的气体原子氮也无法透过。 --- 那么请问,上面的插层能覆盖全部衬底么? 博主回复(2011-1-26 16:27) : 很抱歉,你提的问题我不太懂。 举报 w47717723 2011-1-24 15:44 谢谢王老师,您发的邮件收到了,十分感谢! 举报 sulihong 2011-1-17 15:15 石墨烯微观领域研究价值很大,但今年诺奖研究问题很多,对于海姆和诺沃洛夫宣称的一些内容是很有价值的,但是还有很多是夸大和想当然的,单层悬浮石墨烯的可以稳定存在的尺寸是极有限的,在衬底上的大尺寸石墨烯是很难完整剥离的,其性质也发生了变化。请王老师参加我的博文,对于诺奖的质疑,这点得到了包括前诺奖得主在内多位科学家的认同。 博主回复(2011-1-19 17:49) : 看了你的博文,很有收获!谢谢! IP: 202.120.44.* 举报 交大钢铁研究者 2011-1-15 16:40 13楼所问也是在下疑惑的。大象是横着站还是竖着站啊?还是站在笔尖上?铅笔不能削尖吗?尖到极限不就是石墨烯吗?还要多大的力?用保鲜膜材料制造的牙签戳破保鲜膜能要多大的力?后面的1米长需要55N的力更让人摸不着头脑。材料力学讲的力总要作用在一个面积上,不知如何作用到1米的长度上?一个包装袋又是什么尺寸啊?两吨与55N的比值为363,也不知道是什么关系。这位是学者吗?怎么看着像忽悠啊? 博主回复(2011-1-19 17:38) : 请看回答:研炭翁说碳(三) 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 举报 wliming 2011-1-15 00:16 如果将一张保鲜膜大小的石墨烯盖在杯子上,要想用一支铅笔戳穿它,就需要有像一头大象站在铅笔上的重量才行。石墨烯强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。研究发现要使1米长的石墨烯断裂,需施加相当于55牛顿的压力,也就是说,用其制成的包装袋将可承受约两吨的重量。 ================ “一张保鲜膜大小的石墨烯”是什么意思? 是说有很多层石墨烯? 如果很多层,就成了石墨吧? 可是,石墨从没发现有这么高的强度啊? 博主回复(2011-1-19 17:39) : 请看回答:研炭翁说碳(三) 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 举报 w47717723 2011-1-14 21:13 王老师好,看了您的文章,对石墨烯的认识更多了一些。“石墨烯和单个心肌细胞之间能形成稳定接触,从而可实现对细胞中电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测”,关于这个的文献,如果老师方便能给我发一篇吗?我的邮箱willkelvin@live.com 谢谢王老师了! 博主回复(2011-1-19 17:42) : 请看Nano Lett., 2010, 10 (3), pp 1098–1102 举报 w47717723 2011-1-14 21:13 王老师好,看了您的文章,对石墨烯的认识更多了一些。“石墨烯和单个心肌细胞之间能形成稳定接触,从而可实现对细胞中电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测”,关于这个的文献,如果老师方便能给我发一篇吗?我的邮箱willkelvin@live.com 谢谢王老师了! 博主回复(2011-1-19 17:43) : 请看Nano Lett., 2010, 10 (3), pp 1098–1102 IP: 202.120.44.* 举报 交大钢铁研究者 2011-1-14 16:29 钢铁的最大强度是多少?博主需要检查一下再说石墨烯强度能达到最好的钢铁的100倍。即使刚入门的材料学者也知道一般琴钢丝的强度可以超过4000Mpa。子午线轮胎的钢丝有些已经超过5000Mpa,其实最好的铁晶须(可以认为是钢铁的一种)强度大于7000Mpa。这些都是看得见摸得着实实在在的东西,钢铁的理论强度是20000Mpa。比石墨烯差大约5倍左右。这是原子键合力差距影响的。说石墨烯比钢铁强100倍似欠妥。 博主回复(2011-1-19 17:44) : 请看回答:研炭翁说碳(三) 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 IP: 89.204.137.* 举报 ccm0226 2011-1-14 03:59 王老师,Fritz Haber这边一个来自清华的师兄说看到了您的博客,我才知道您开通了博客。祝愿您健康长寿,笑口常开! 博主回复(2011-1-19 17:46) : 谢谢!祝你春节快乐! 举报 Synthon 2011-1-14 01:36 石墨烯作为基本结构单元,不但能堆叠成立体的三维石墨,还可以单层或多层包卷起来,形成以长、宽、厚都极小的零维足球烯(碳60)为代表的各种富勒烯,也可单张卷成只有长度的一维碳纳米管,由同一元素碳可形成具有不同性质和形态的各种同素异性体。 ------------- 王老师啊,这个不准确的说,形成富勒烯需要五元环,单靠石墨烯包卷是不能得到的。。。 博主回复:谢谢你的问题!你说的有一定道理,但是要知道,石墨烯在包卷过程中其中的某些碳碳键合会发生变化,从sp2键转化成sp3键,形成一定量的五元环或七元环,否则就不可能包卷成富勒烯和纳米碳管。 举报 duanxi 2011-1-13 15:15 王老师好!我在做炭纤维表面处理时,也发现了类似石墨烯的东西,只是没有表征的方法,更别说进行性能检测了,看来硬件不可缺啊。 博主回复(2011-1-19 17:47) : 非常同意你的观点! 举报 zqshichina 2011-1-13 14:22 王老师,以后可以多向您请教了. IP: 210.72.130.* 举报 nanoworm 2011-1-12 16:57 王老师好! 博主回复:李峰,你好!请多关照! 举报 Ising 2011-1-12 13:16 Ising将您的文章推送到 析万物之理 , 举报 caojian123 2011-1-12 11:52 好文,学习了! 举报 Guoxiangyun 2011-1-12 11:42 Guoxiangyun将您的文章推送到 纳米天地 , 举报 Guoxiangyun 2011-1-12 11:35 祝王老师博客开通! 博主回复:谢谢,这也是我学习的过程,请多关照! 研炭翁说碳(三) 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 精选 已有 2017 次阅读 2011-1-19 12:19 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:blank 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 本来 研炭翁说碳(三)想写“ 碳是个什么东西?” ,但上网一看,有几位评议人对前文“ 研炭翁说碳(二) 浅谈石墨烯”(以下简称“前文”)所举有关石墨烯强度的比较及例子表示质疑。游客 交大钢铁研究者甚至毫不客气地提出:“这位是学者吗?怎么看着像忽悠啊?”。 因此,被逼不得不先写此文作一总的回复。 写科普文章时,为避免枯燥的数字和太深的理论阐述,常常用简单的比较和例子予以说明,希望能达到深入浅出的目的。“前文”中提到的比较及例子并非本人原创而是引自其它文章(因系科普文章,当然也就未列出参考文献),但是这些比较和例子是有理论和实验数据作依据的。科普文章的例子和比较或比喻不可能像科技论文那样精确、贴切,但是也绝不能像科幻小说那样完全离谱。那么,石墨烯的强度到底是多少,“前文”中的例子和比较离谱了吗?文章的作者是在忽悠吗 ? 外层电子形成 sp2 杂化的碳原子所形成的碳碳双键( C=C )是自然界最强的价键之一,根据其键能 607KJ/mol 和碳键的密度,计算出石墨烯的弹性模量为 1Tpa(1 TPa=103 GPa=106 MPa) 。按照吉拉曼( Gilaman )固体材料理论固有强度的计算可得出,石墨烯的抗拉强度为 180GPa 。谈到钢铁,一般多指块状钢铁,包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内,其强度在 0.78-1.68GPa 之间 , 石墨烯的强度不是比它们大 100 多倍还多吗? 本人学识浅薄,孤陋寡闻,愧为学者,仅对碳略知一二,确实不知钢琴丝、钢晶须等还有那么高的强度,这也说明隔行如隔山的道理。但是,也并没有无知到用石墨烯来与钢丝或钢晶须作比较呀!如果 钢铁的理论强度如交大钢铁研究者所说是 20Gpa ,但块状钢铁应和普通块状炭材料一样,是很难达到纤维和晶须的抗拉强度水平的,更何谈达到其 理论值。另外,“前文”中也 并没有说石墨烯是 钢铁理论强度的 100 倍呀! 单层石墨烯是完美的理想晶体,其力学性能自然可接近其理论值, SP2 杂化碳碳键形成的碳纳米管实测得到的抗拉强度也有 150Gpa (参见 Nature. 1997.vol.389.no.6651,pp,582-4 )。石墨晶须的抗拉强度则为 21 GPa 。炭纤维也主要是以 SP2 杂化碳碳键所形成的材料,尽管受脆性材料中的裂纹、孔隙及晶粒大小等众多因素所影响,其抗拉强度与理论值有很大差距,但其工业产品的抗拉强度值也相当高,不同牌号的产品如 T300 、 T800 和 T1000 的抗拉强度分别可达 3.5GPa 、 5.5Gpa 和 7.0GPa 。这些也都是看得见,摸得着并已在航空、航天、军工等部门大量应用的产品。正是由于炭纤维的高强度、高模量,美国 F-22 战机的表面用炭纤维复合材料已达 70% ,民用波音 787 和空客 A380 中炭纤维复合材料已占其结构材料的 50% 以上,每架飞机用炭纤维的量达 23 吨。说到这里,似乎有点跑题。然而,在上世纪 60 年代,刚开始研究把脆性的炭材料变成柔韧的炭纤维时,谁又能想到能有今天这样的发展。从炭纤维的发展我们不就可以看到石墨烯的明天吗? 至于“前文”中的提到的另一比喻,请参看“科学”杂志中的一篇论文 ( Science , 18 July 2008 . Vol. 321. no. 5887, pp. 385 - 388 , “ Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene ) 。该文作者为 哥伦比亚大学的物理学学者 Changgu Lee, James Hone 等,他们 对石墨烯的力学特性进行了较全面研究。为此,他们选取一些 10 — 20 微米的石墨烯作研究对象,先将这些石墨烯样品放在了一个表面钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在 1 — 1.5 微米之间。然后用金刚石制成的探针对放置在小孔上的石墨烯施加压力,测试它们的承受能力。结果发现,在石墨烯样品开始碎裂前,其每 100 纳米距离上可承受的最大压力达到了大约 2.9 微牛。据测算,这一结果相当于要施加 55 牛顿的压力才能使 1 米长的石墨烯断裂。如果能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约 100 纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。 Nature 和 Science 是公认的世界顶级科学杂志,其上发表的论文和数据,恐怕没多少人会认为其论文作者是在忽悠人吧? 正如“前文”最后提到的,石墨烯作为材料应用其研究之路还很长。当前还根本制造不出 1 米大小的石墨烯,目前非科技人员可能既看不见,也摸不着它。制出较大面积的石墨烯时,其性能还有可能发生变化。 太空电梯效果图 太空电梯概念图 虽然石墨烯的存在人们早已知道,但单层石墨烯的成功分 离才仅仅 6 年,对其认识和研发也刚刚开始,和炭纤维碳纳米管一样,只要找准方向不断努力,美好的愿望和实用前景就有可能实现。更何况当今世界无论是物理学家、化学家还是材料学家,都在一窝蜂地竟相研究石墨烯这一新材料。这也正是为什么日本 IT 公司和美国国家宇航局( NASA ) 的先进概念研究所等机构 ,基于碳纳米管和石墨烯的高强度、轻质量,先后 提出 用碳纳米管或石墨烯作缆绳,研发通向太空的天梯。这样大胆的设想,在某些眼光短浅的人看来,不更认为是在忽悠吗? IP: 222.240.48.* 举报 匿名 2011-1-20 18:00 写得很好,让我大开眼见!要是我们的研究生也能做到学术上能百家齐放、百家争鸣的话,那中国的科研能上一大台阶! 很欣赏你们的争和辩! 博主回复(2011-1-23 11:35) : 请看“不是忽悠,但确实有所不妥” IP: 123.118.2.* 举报 匿名 2011-1-20 13:14 外层电子形成sp2杂化的碳原子所形成的碳碳双键(C=C)是自然界最强的价键之一,根据其键能607KJ/mol和碳键的密度,计算出石墨烯的弹性模量为1Tpa(1 TPa=103 GPa=106 MPa)。按照吉拉曼(Gilaman)固体材料理论固有强度的计算可得出,石墨烯的抗拉强度为180GPa。谈到钢铁,一般多指块状钢铁,包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内,其强度在0.78-1.68GPa之间, 石墨烯的强度不是比它们大100多倍还多吗? ---------------------------------------------------------------------------- 还解释啥,从开头的论证,就看出你有两种可能,1是小小子闯世界,2,是大忽悠的钱耙子。 第一个指标,是你根据石墨烯单一条件的理论计算,第二个指标是实际宏观测量,两者根本不是一回事儿,能比么。 你要讲单一指标的理论计算,俺可以说豆腐比钢铁硬一万倍。 你不是大忽悠是啥? 博主回复(2011-1-23 11:35) : 请看“不是忽悠,但确实有所不妥” 举报 zhongyiao 2011-1-20 09:21 早干啥去了?本人最看不起的就是:人家获得诺奖以后才发发议论的人。看上去多有学问,实际上、、、、 博主回复(2011-1-23 11:36) : 请看“不是忽悠,但确实有所不妥” IP: 67.0.23.* 举报 匿名 2011-1-20 01:55 唉,不得不冒个泡,免得更多无知大众被误导。我做理论凝聚态物理,但对石墨烯的实验操作很清楚。首先理论上,我也不想说太多。只想提醒下,单纯的把纯数学计算的2维弹性模量,经过正确的数学推导,得到所谓的抗拉强度,物理上确实错误的。做过实验的都知道,对悬空微米的石墨烯,它本身垂直方向的晶格振动,Z mode,就能使得它轻易破裂,还用得着拉?另一个需要提醒的是,不要从微观性质直接外推到它的宏观性质。理论上不多说,这也是最朴素的量变到质变的观点,而且物理在不同的时间,空间,能量尺度上都不一样。所以有些问题不能想当然,想当然的东西更不能拿来科普了。科学家做事要严谨,科研工作者也应如此。 博主回复(2011-1-23 11:36) : 请看“不是忽悠,但确实有所不妥” 举报 ecqsun 2011-1-19 20:31 Gentalmen, the following information could be of interestin and for sharing. Happy Lunar New Year! Ecqsun@ntu.edu.sg Theoretical reproduction of the elastic modulus enhancement,28, 31, 32 melting point depression of carbon nanotubes,28, 33 the C 1s binding energy shift of carbon allotropes,34-36 and the width dependence of the band gap expansion of graphene ribbon have37 confirmed consistently that the C-C bond at the graphene edge is 30% shorter from 0.154 to 0.107 nm with a 152% increase of bond energy.28, 31, 32 The Young’s modulus was determined as 2.595 TPa corresponding to the bulk modulus of 865 GPa. For the 3-coordinated GNR interior atoms, the C-C bond contracts by 18.5% to 0.125 nm with a 68% increase of bond energy.31 The effective wall thickness of the SWCNT is determined to be 0.142 nm. Girit et al 5, 38 discovered that breaking a C-C bond of the 2-coordinated carbon atom near the vacancy requires 7.50 eV per bond that is 32% higher than the energy (5.67 eV/bond) required for breaking one bond of a 3-coordinated carbon atom in the interior of a suspended graphene sheet. It is also discovered that39 the mechanical strength of graphene increases with the density of defects (the reconstructed 5- and 7-membered rings forming the grain boundaries), because of the particular ring bonds and their elongation dynamics. 28. Sun, C. Q.; Bai, H. L.; Tay, B. K.; Li, S.; Jiang, E. Y. Dimension, Strength, and Chemical and Thermal Stability of a Single C-C Bond in Carbon Nanotubes. The Journal of Physical Chemistry B 2003, 107 (31), 7544-7546. 29. Zheng, W. T.; Sun, C. Q. Underneath the fascinations of carbon nanotubes and graphene ribbons (Perspective). Energy Environment Science 2010, DOI:10.1039/C0EE00434K. 30. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics.Wiley: New York,1996, pp 57. 31. Wong, E. W.; Sheehan, P. E.; Lieber, C. M. Nanobeam Mechanics: Elasticity, Strength, and Toughness of Nanorods and Nanotubes. Science 1997, 277 (5334), 1971-1975. 32. Falvo, M. R.; Clary, G. J.; Taylor, R. M.; Chi, V.; Brooks Jr, F. P.; Washburn, S.; Superfine, R. Bending and buckling of carbon nanotubes under large strain. Nature 1997, 389 (6651), 582-584. 33. Bai, A.; Seiji, F.; Kiyoshi, Y.; Masamichi, Y. Surface Superstructure of Carbon Nanotubes on Highly Oriented Pyrolytic Graphite Annealed at Elevated Temperatures. Jpn. J. Appl. Phys. 1998, 37 (6B), 3809-3811. 34. Balasubramanian, T.; Andersen, J. N.; Wallden, L. Surface-bulk core-level splitting in graphite. Physical Review B 2001, 64 (20), 205420-205423. 35. Kim, K.; Lee, H.; Choi, J. H.; Youn, Y. S.; Choi, J.; Lee, H.; Kang, T. H.; Jung, M. C.; Shin, H. J.; Lee, H. J.; Kim, S.; Kim, B. Scanning Photoemission Microscopy of Graphene Sheets on SiO2. Advanced Materials 2008, 20 (19), 3589-3591. 36. Sun, C. Q.; Sun, Y.; Nie, Y. G.; Wang, Y.; Pan, J. S.; Ouyang, G.; Pan, L. K.; Sun, Z. Coordination-Resolved C-C Bond Length and the C 1s Binding Energy of Carbon Allotropes and the Effective Atomic Coordination of the Few-Layer Graphene. The Journal of Physical Chemistry C 2009, 113 (37), 16464-16467. 37. Zhang, X.; Kuo, J. L.; Gu, M.; Bai, P.; Sun, C. Q. Graphene nanoribbon band-gap expansion: Broken-bond-induced edge strain and quantum trap depression. Nanoscale 2010, 2, 2160-2163. 38. Girit, C. Ouml;.; Meyer, J. C.; Erni, R.; Rossell, M. D.; Kisielowski, C.; Yang, L.; Park, C. H.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie, S. G.; Zettl, A. Graphene at the Edge: Stability and Dynamics. Science 2009, 323 (5922), 1705-1708. 39. Grantab, R.; Shenoy, V. B.; Ruoff, R. S. Anomalous Strength Characteristics of Tilt Grain Boundaries in Graphene. Science 2010, 330 (6006), 946-948. 博主回复(2011-1-23 11:37) : 请看“不是忽悠,但确实有所不妥” 举报 yuzh 2011-1-19 15:04 抱歉,我的留言不是针对您的. 举报 yuzh 2011-1-19 13:14 看过你几篇关于石墨烯的博文,本人觉得写的不错.感觉你是一个石墨烯的实验研究人员. 其实,无论是有机化学研究还是材料研究,研究人员都可以分成三类类。 一类只作实验,不做任何理论解释。 第二类只作理论研究不做实验,第三类实验和理论解释相结合. 由于石墨烯刚得诺奖,所以各学科的研究人员都往这个领域挤. 结果就出现了很多不专业的现象.有人对我的评论很不以为然,觉得我在挑刺,一个专业词汇用得不当值得那么认真吗。 我觉得一个严谨的科学研究人员,语言一定要专业,科学词汇一定要正确,基本概念绝对不能出错,理论解释不能出格.如果你自造一套专业语言,如何与他人交流. 如果非有机化学专业的人,一定要在石墨烯研究中,提出自己的理论解释,本人愿冒外行之名提出一些建议:(1) 建议读读电荷转移络合物的文献. 电荷转移络合物虽然是小分子,但是它的几何匹配原理,轨道能级匹配原理,对成称性匹配原理还是可以推广到石墨烯领域的;(2)读读分子内电子转移速度的研究. 这方面,Paddon-Row的工作也许可以借用;(3)读读关于分之间作用的研究。 这方面Morokuma的的工作也许会有帮助. 当然,在这方面,本人也做了不少工作;(4) 适当学点PMO(微扰分子轨道)理论,对于定性理解分子间作用也许会很有帮助的 博主回复(2011-1-19 14:12) : 谢谢!其实,关于石墨烯我也只是一知半解,绝对不敢提出自己的什么理论解释,写写科普文章也只是退休后找点乐趣,现已老眼昏花,再要读深奥的理论专著恐怕也只好等下辈子了。哈哈! 研炭翁说碳(四) -碳是个什么东西? 已有 623 次阅读 2011-1-19 13:01 | 系统分类: 科普集锦 碳是个什幺东西? 为什么有碳原子、碳分子,又有碳元素,它们之间有什么不同?为什么性质不同、形貌廻异的石墨和金刚石都是碳?为什么有碳原子中有碳 12 又有碳 14 ,两者有何区别?碳到底是个什么东西? 其实,有初中水平的人就应该能回答,但可能有些人已忘记了,在这里让我们再综合起来回忆一下。 随着数千年文明的发展,人类不断从宏观和微观两个方面拓宽知识,对物质世界的认识已经可以跨越 42 个数量级,即在宏观上目前观测所及的宇宙空间范围已可达到 1026~1027 ( 1 后面 26-27 个零)米,而微观上已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小仅为 10-16 (小数点后面 16 个零)米。人们现在已经知道整个宇宙是由不同物质组成,物质的种类有几千万种以上,但组合搭配形成这些物质的元素却并不多,已知自然界存在的仅九十多种,加上人造的总共也只有 118 种, 碳就是这些元素当中的一个,但又是极为特殊的一个 。 原子是由原子核和不同数量、围绕其旋转并带有一个单位负电荷的电子所组成。电子是质量很小的微粒 , 在原子核外作高速运动,原子核则是由带正电荷的 质子和不带电荷但有一定质量的中子所组成。这些都是我们从初中课本中已经获得的知识。 由于不同原子中有着不同数量的质子、中子和电子 , 因此它们的性质便有了很大的变化。 元素则是具有相同原子序数或相同核电荷数(即质子数)的同一类原子,碳元素就是所有碳原子的总称,而碳通常是碳元素的简称。 化学是研究物质及其变化和应用的一门科学。化学中用不同的英文字母来表示不同的元素,用一个字母时为大写,用两个字母时为一个大写一个小写,它们被称之为化学符号 ( 或元素符号 ) 。例如用“ H ”表示氢,用“ O ”表示氧,用“ Fe ”表示铁等等,碳的化学符号为“ C ”。原子是化学变化中的最小微粒,从宏观上看物质是由不同元素或化合物所组成,从微观上看则是由分子、原子或离子所组成。后来人们进一步发现各种元素的性质会随着其原子序数(核电荷数)的递增周期性地变化,这是因为元素原子核外电子排布周期性变化而导致的结果。这样,便可将一百多种元素排列归类形成一个化学元素周期表。 图 1 . 碳原子中原子核及围绕它旋转的 6 个电子的示意图 图 2 .碳原子中电子云 ( 蓝色部分 ) 的几种组合方式 碳元素的原子序数为 6 ,即碳原子的原子核外有 6 个电子围绕它旋转(图1)。去年 乌克兰科学家成功捕捉到碳原子内部的图像,显示了碳原子中电子云 ( 蓝色部分 ) 的几种组合方式(图2)。 碳元素位于周期表中第四主族( Ⅳ A )族,在 C 、 Si 、 Ge 、 Sn 、 Pb 元素组成的第Ⅳ A 族中,在这一族中它的原子序数最低,核电荷数最少,即原子核外的外层电子数最少。在以后面我们将谈到, 碳元素的所有神奇特性都是由于它们处在这一不上不下,不左不右的特殊位置所致。 碳原子有极强的化学成键能力,周期表的所有元素中只有碳是能够形成更多价键的原子,也只有碳才是能形成结构数更多的元素。由同种元素组成的纯净物叫做单质,同一种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性 ( 或同素异形 ) 体。随碳原子排列的不同,其组成结构也不一样。仅仅由碳原子却可以组成结构和性质完全不同的深灰色石墨和光彩夺目的金刚石等原子晶体,还可由几十或数百上千个碳原子形成碳 60(C60) 之类的富勒烯、纳米碳管或石墨烯分子。碳 60 还能进一步形成分子晶体。 只有碳元素才能形成无穷无尽的同素异性体,这又是其独特之处。 这些我们在以后都会陆续谈到。尽管各种同素异性体的物理性质极其不同,由于其核电荷数和核外电子层结构相同,所以它们的化学性质全都一样,例如在空气中它们都能像煤炭一样,充分燃烧生成二氧化碳,同时放出大量的热来。 由于电子、质子和中子都有一定的质量,不同原子的核电荷数不同各种原子的质量也就会不一样。原子的绝对重量极小,难以直接称量,故最早用原子中最轻的氢原子重量为 1 来测定其它元素的相对原子量,后来又将自然界存在的氧原子的平均原子量等于 16.0000 作为基准。考虑到碳元素在自然界的丰富程度以及它又有很强与其它元素结合的能力,所以国际上从 1961 年起为了避免混乱,统一将 12 C (碳 12 ,其原子质量数,即质子数与中子数之和为 12 的碳原子)作为基准定为统一原子量的标度,其相对原子量被精确地定为 12.0000 ,所有其它的原子和分子均参照它来确定各自的质量,从而使物理化学数据更为精确。 人们发现自然界具有相同质子数的原子,有时其中的中子数并不完全相同,于是将有相同质子数但中子数不同的同一元素的几种原子互称为同位素。已发现的天然同位素有 300 多种。人造同位素更是达 1200 多种,已发现 碳原子的同位素有 13 种, 即从 8 6 C (左上 8 表示原子质量数,左下 6 表示质子数)至 20 6 C ,其中 12 6 C (碳 12 )和 13 6 C 为稳定同位素,各自的平均相对丰度分别为 98.9% 和 1.108% 。其余同位素均为放射线同位素,其中除 14 6 C (碳 14 )的半衰期为 5730 年,人们可感到其存在外,其余的同位素由于半衰期很短,如 16 6 C 仅为 0.74 秒, 17 6 C 仅有 20 毫秒 , 即 0.02 秒 , 所以无太大意义。大气中的碳 12 和碳 14 按一定的比例保持不变,即每克碳中仅有百万分之 13.56 的碳 14 。利用碳 14 的半衰期,人们可以估计含碳物质,如树木、骨头和含生物分子的化石的年岁,即所谓碳 14 监年法,也称为碳年代测定法( carbon dating )。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有与天然同位素丰度一致的原子重量所占百分比计算的平均值,所以碳元素的原子量不是 12.000 而是 12.001 。 宇宙万物是由各种基本粒子及近百种元素和其形成的化合物所组成,在这些元素中最为特殊、也是最为神奇的就是碳元素。碳原子能形成无穷无尽的单质和化合物。没有任何元素能像碳元素那样,作为单一的元素却可形成许许多多结构和性质完全不同的物质。各种类型碳单质所具有的性质几乎能包括地球上所有物质的性质,有的甚至是完全对立的性质。例如:最硬 ( 金刚石 )- 最软 ( 石墨 ) ;绝缘体 ( 金刚石 )- 半导体 ( 石墨 )- 良导体 ( 石墨烯 ) ;绝热体 ( 石墨层间 )- 良导热体 ( 金刚石 ) ;全吸光 ( 石墨 )- 全透光 ( 金刚石 ) 等等。碳在宇宙进化系统中起重要作用,又是太阳等恒星发光不可或缺的元素,也是地球上各种有机生命的关键组成元素,碳及其化合物和人类息息相关,几乎深入到我们生活的每一个角落,它无处不在,人们无时无刻也不能与之分开,新型碳质材料的研究和开发正日新月异,也正在改变和提升我们的生活质量。碳元素如此重要,如此神奇 , 那幺它是从哪里来的呢?请看研炭翁说碳 ( 五 ) :碳从哪里来? 研炭翁说碳(五) 碳从哪里来? 已有 314 次阅读 2011-1-23 13:02 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:起源 元素 世间万物都在运动变化,都有各自的起源和演化规律,碳元素也不例外,也在不断演变和进化,也有其起源和演化的规律。那么碳是从哪里来的呢? 早在 1886 年,英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》,提出所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚而成的。 1932 年匈牙利天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸概念。 他根据任何事物都是从简单到复杂的规律,认为 整个宇宙最初是聚集在一个“原始原子”中,后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了现代的宇宙。 1956 年,美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据,发现氢最多,氦次之,再次为碳、氮、氧,并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少,但到了铁时又会突然增多,而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。 1948 年, 美籍俄国天体物理学家伽莫夫考虑到,如果按照爱因斯坦的广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程,就有可能推算出宇宙的演化历史。伽莫夫和他的学生阿尔文及朋友贝瑟一起将他们的论文《化学元素的由来》投给著名的刊物《物理学评论》,这篇文章最后按照三位作者名字第一个字母的希腊文读音,被称之为 αβγ理论 。这一文章在 勒梅特 想法的基础上,完整地提出了他们的大爆炸宇宙模型,提出宇宙起源于大约 150 亿年前一次巨大的爆炸,由最早时期温度极高且密度极大,体积极小的一个“奇点”迅速膨胀而形成,是一个由热到冷、由密到稀不断膨胀的过程,犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据天文观测和爱因斯坦的相对论,现代天文学界和物理学界都一致认同宇宙诞生的大爆炸理论。 20 世纪 60 年代,这个预言果然被天文学家在对宇宙进行观测后证实,这也就使大爆炸宇宙模型成为宇宙学界的标准模型。它与粒子物理学中的夸克模型、生物学中的 DNA 双螺旋结构模型和地质学中的板块模型一起,并称为 20 世纪科学界最著名的四大科学模型 。 在此基础上, 1954 - 56 年间福勒( Fowler )与伯比奇夫妇 ( E. M. Burbidge 和 G. R. Burbidge ) 以及霍伊尔 ( F. Hoyle ) 合作,对恒星中的核反应进行了一系列的研究。 1957 年,他们全面阐述了恒星中化学元素的核合成,在《现代物理评论》上发表了后来简称为 B2FH (四 作者名的第一个字母 )理论的著名论文。该论文指出了恒星的演化方向以及与恒星演化各阶段相应的 8 种核合成过程,提供了计算恒星内部结构的客观基础,阐明了超新星爆发和大质量恒星演化的关系。 WMAP 探测到的宇宙膨胀过程 近年来美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 向天文学家提供了新的数据,证实大爆炸理论的正确性,它已探测到 137 亿年前大爆炸后 40 万年所形成的余辉,发现约 40 亿年后第一代星球的生成。因此,根据最近标准宇宙论模型以及 B2FH 理论,比较一致的认为是:宇宙是在不断地进行膨胀和收缩循环,既没有开始,也没有结束,我们处在的这一轮循环是大约 137 亿年前由收缩到非常致密的小质点爆炸后产生的。大爆炸后的极短时间内( 10-30 秒)宇宙便加速暴胀,目前正处于缓慢膨胀的初期,仍在继续膨胀。在爆炸后的百万之几秒,温度达 1 千亿度( 1011 k ),形成一种超炽热、极致密、由一些被称为夸克 (quark) 和胶子 (gluon) 的粒子组成,它们四处游荡,横冲直撞。随后少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子又参加进来。这时混合物的温度可高达上万亿 ℃ ,比太阳核心还要炽热 10 万倍以上。但是,温度会随着宇宙的膨胀而直线下降,就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度也大为减慢,以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。随着宇宙的膨胀,当其冷却至 1 百亿度时,夸克通过胶子传递的强作用力组成亚原子粒子质子和中子,后者又进而形成原子核。当电磁力起作用时,原子核捕捉电子后形成一些最轻的氢和氦原子,这一过程仅三分钟。在大爆炸 10 亿年后,宇宙冷却到 4000K 时,最初形成的氢、氖、氦等元素组成原始星际物质,靠引力收缩形成原始恒星团块,此时温度又逐渐升高,当温度达到 700 万 K 时, 原子中电子脱除,仅剩原子核,高温高压下它们因热运动碰撞,两个轻原子核 熔 合在一起成为一个重原子核。在温度为 110 ~ 1110 万 K 的恒星中,主要产生质子-质子热核反应, 氢核聚变转化为氦。当恒星 中心温度和压力提高至氦被点燃时,氦芯收缩而外层膨胀和冷却,变成了红巨星。按照 B2FH 理论,通过 3α 过程,三个氦原子可聚变成一个碳原子。这一 过程由两步完成,先是两个 α 粒子 ( 即 4 He 原子核 ) 形成 8 Be ,但后者寿命仅 10-16 秒,然后再捕获一个 α 粒子,形成 12 C 。因此,碳是完全在星球内部形成的第一个最轻的元素。若星球核心进一步收缩至 6 亿度以上的高温,则碳继续聚变产生氧、镁等原子核。如果没有形成碳的 3α 过程,就不可能进一步形成其它重元素。在形成质子数为 26 的铁之后,核聚变不再是放热反应,此时核心产生的震动波与外层的物质相撞,释放大量能量产生更多热核反应,从而形成更多比铁更重的元素。恒星外层炸掉,形成所谓超新星爆炸,一系列热核反应生成的各种元素也被散布到宇宙各处。据估计太阳中每 106 氢核有 215 个碳原子,宇宙中 106 氢核中有 85 个碳原子,而恒星 包覆物及环绕其外围中 碳 / 氧 1 的富碳星每年可产生固态 C 的速率约为 0.002M ⊙ ( M⊙ 为太阳的质量) 。 在温度为 ~ 5 × 107K 的最早恒星中,会以更高速率产生 必要量的碳来催化氢的燃烧。 太阳中心温度为 1500 万度,而质量 1.5M⊙ 的恒星,其核心温度可达 3000 万 K 以上,此时主要是:“碳氮氧循环”(也称“碳循环”)反应。在此反应中,碳作为中间物起催化作用,所以碳在恒星发光发热过程中 也起着 重要作用。 1938 年贝特( Bethe )提出这一碳氮氧循环理论 , 并因此获得 1967 年的诺贝尔奖。 从现代观点看,整个宇宙都是大爆炸后热核反应的产物,无论是我们每天看到的太阳,还是我们目前生活的地球都莫不如此。作为物质的一种的碳元素当然也不例外。可以说, 我们人体中的每一个碳原子也都是宇宙大爆炸后,在恒星热核反应中燃烧 “灰烬”的产物 。 碳是宇宙前期种形成的关键元素 , 也是地球上最活跃的元素 , 其存在形式复杂而且在不断地演化 : 从单一键态,演化到复合键态的多形式 碳; 从早期的原生碳,演化到无机碳 , 从无机碳演化到有机 碳; 碳的单质形态,也从链型向层 型、 管 型、 球型和配位型不断转 化。 那幺宇宙中的碳有哪些形态?请看研炭翁说碳 ( 六 ) 宇宙中的碳 举报 weinyuan 2011-3-5 19:02 引用“1956年,美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据,发现氢最多,氦次之,再次为碳、氮、氧,并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少,但到了铁时又会突然增多,而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。” ----------------- 教科书上说挪威地球化学家戈尔德施密特(V.M. Goldschmidt)1937年首次计算和汇编了元素及同位素的宇宙丰度(元素的分布及含量)。未必正确,只是参考,仅作探讨。 博主回复(2011-3-6 08:34) : 谢谢你的补充! 举报 chzhgxmu 2011-2-20 19:43 不过王老师,我觉得国外人名若能用英文名更好,能给出这些经典文献的目录那就最好了 博主回复(2011-3-4 08:11) : 不是写论文,只是科普文章,所以都省了。 举报 chzhgxmu 2011-2-20 19:42 很好,很专业 博主回复(2011-3-4 08:08) : 谢谢! 举报 chengmin8504 2011-2-9 09:42 写的真好 博主回复(2011-3-4 08:08) : 谢谢! 研炭翁说碳(六) 精选 已有 1649 次阅读 2011-2-20 08:08 | 系统分类: 科普集锦 研炭翁说碳 ( 六 ) 从钻石星球“露西”说起 —— 漫谈宇宙中的碳 图 1 钻石星球 图 2 宇宙中的 巴基球 光辉夺目,晶莹剔透的钻石虽然也是碳元素的一种形式,但却是年轻女士在情人节时最期盼的礼物。地球上已发现的最重钻石是 1905 年产于南非,重 3106 克拉的“库里南”钻石原石。按每克拉为 0.2 克计算,其重量相当于 621.2 克,尚不足一公斤。但是,你知道吗,距离我们地球 50 光年的人马座中,有一颗编号为“ BPM37093 ”星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗钻石。它的直径为 4000 公里,重量达 10的34次方 克拉,即 2 × 10的27次方 吨,天文学家根据披头式乐队的歌曲“天空中那是载着钻石的露西”,而将它命名为“露西”。事实上,它是恒星中核反应完全结束、转化成白矮星之后形成的碳内核,随温度的降低,其中的碳元素就会逐渐形成密度极高的结晶,从而成为银河系中最大的钻石。 50 亿年之后,太阳也将蜕变成一颗白矮星,然后再经过 20 亿年,就也将变成一颗闪闪发光的大钻石。 除由恒星直接转化成的大钻石外,也有在恒星周围形成的碳行星。人类已经观察到 100 多颗太阳系以外的行星。在这些行星中,也有一些是由含有丰富碳元素的气体及尘埃浓缩而成,其中有些行星的主要成分是碳化硅(金刚砂)等。还有一些行星的表壳最上端可能是石墨,而内部是由于高压作用转化成的天然钻石,其表面还可能有碳氢化合物,也可能形成甲烷之类液体碳氢化合物的湖区或海区。有些科学家甚至认为这些太阳系外的碳元素行星可能存在着生命,甚至智能生命。例如,在年龄仅 2000 多万年、离地球约 60 光年、被称之为“贝塔 - 皮克托里斯”的恒星周围,就发现了直径达 3000 亿公里的气体尘埃云,其中有大量气态的碳,它们正在形成甲烷和石墨储量极其丰富的行星。 2008 年美国宇航局发布 “ 卡西尼 ” 飞船探测结果称,土星最大的一颗卫星 —— 土卫六的表面湖海中天然气和其它液态碳氢化合物数量惊人,是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。液态碳氢化合物不是以水,而是以甲烷和乙烷的形式存在于土卫六的表面。 宇宙尘粒大小主要在纳米至微米范围,可能在原始行星中有更大的粒子。在原始球粒陨石中曾发现两种太阳前期的碳粒子:纳米金刚石和石墨粒子。纳米金刚石的典型大小为 2nm ,相当于 100 个碳原子;而石墨粒子约为 1 ~ 20nm 。在某些富碳星的流出物中发现许多不同结构的碳及非晶态碳粒。 在原始含碳球状陨石中还发现许多有机物 , 如在 含碳陨石中已发现糖类及其衍生的多羟基化合物 , 因此在数百万年前彗星和陨石轰击地球时可能为地球带来了有机生命的种子 。对坠落地球的陨星研究表明,其中碳元素的 3% 以纳米级钻石形态存在。据推算,宇宙尘云中一克尘埃和气体中可能含一万万亿颗纳米级钻石。美国宇航局的“斯皮策”( spitzer )红外线太空望远镜正在进行这方面的搜寻。在宇宙中,碳元素除以钻石、石墨形态存在之外,还有许许多多其他形式。例如利用哈勃望远镜在一棵距地球 65 光年、如木星般大小、被命为“ HD189733 ”的系列行星上还发现二氧化碳气体。 自 1937 年发现第一个星际分子以来,已鉴定出的星际分子已超过 130 多种,而其中的 75 %是含碳分子。碳是扩散星际云中自由电子的主要来源,可以使星际气体加热,因此碳在星际介质物理进化中起重要作用。由于碳有更强的成键能力,故能形成多种多样的分子。在空间 已鉴定出 的含碳分子包括简单的双原子(例如, CO 、 CN 、 C 2 等),简单的多原子( CH 2 、 CH 4 、 C 2 H 2 等) 和更 复杂的不饱和及多环芳烃分子。在距地球约 2.6 万光年的区域曾探测到乙二醇。乙二醇是由碳、氢和氧组成的 10 个原子的分子,是目前在宇宙中发现的 5 个最大分子之一。这一发现表明,星际云中可能存在更为复杂的像核糖一样的糖分子。核糖是构成核糖核酸的主要成分,而核糖核酸是构成脱氧核糖核酸的主要成分。该发现进一步表明,星际化学物质的发现对了解地球早期生物分子的产生十分重要。 六个碳原子接合在一起可形成六角形的苯环分子,多个苯环并在一起可形成萘、菲、蒽等平面的各种多环芳烃分子,苯环的并联可以无限制地继续,在极端情况下就形成不同大小的平面石墨烯分子。多环芳烃分子被认为是空间最丰富复杂分子类的代表,这类分子有很高的光分解稳定性,从而能在苛刻的星际环境中存在。多环芳烃分子在富碳巨星流出物中产生,其过程与燃烧过程中烟炱的形成类似,它是炭黑粒子的基本原料,是气相中分子碳和尘埃粒子(或碳质固体)的中间产物。平均大小为 20 ~ 30 碳原子的多环芳烃分子和碳碳链是星际云中“热”的分子云核心( 100 ~ 200K )和碳星外围的普通组分。 2010 年,用“斯皮策”红外线太空望远镜,在距离地球 6500 光年的天坛星座一颗星体周围的宇宙尘埃中,也捕捉到巴基球 ( 即富勒烯: C 60 、 C 70 等 ) 引发的红外光谱扰动。由于巴基球是最稳定的物质之一,因而它们可以在星际间的强大太空辐射场中保存下来,这一发现证明富勒烯也能在太空中形成。 C 60 和 C 70 因其所具有的独特特性,在太空发生的各种物理和化学反应中扮演着非常重要的角色 , 这一发现甚至可能帮助科学家解释在宇宙尘埃中已经探测到还无法解释的化学信号。 整个宇宙的质量中, 95 %为看不见的黑暗物质、黑暗能量和中微子。星球、彗星、宇宙间气体和灰尘仅占整个宇宙质量 5 %,其中的所有物质均由近 100 种元素及其 300 多种同位素组成。宇宙内的所有元素中,碳元素含量所占比例仅为 0.3% ,但其丰度列第 6 位。在太阳系的元素和同位素中,按原子比率的顺序碳和氧差不多列第 4 位,仅低于氢和氦。碳也是形成地球宇宙微粒的主要构成元素,随着不断的演化发展,以碳为骨架,终于在地球上形成了各种动植物繁衍的大千世界,详细请看研炭翁说碳 ( 七 ) 碳在地球上的轮回。 IP: 125.39.66.* 举报 匿名 2011-2-26 18:16 好文章! 这个讨论区有意思,可以达到百家争鸣的效果 博主回复(2011-3-4 08:19) : 是的,有大家讨论可使作者少犯错误! IP: 210.93.98.* 举报 匿名 2011-2-26 16:11 重量达1034克拉,即2×1027吨,发文时编辑一下 博主回复(2011-3-2 14:33) : 文章发上网后,10的次方变到了下边,怎么也改不上去,如何编辑请赐教。为了不误导读者,已将文中的次方均作了说明。 举报 suqdu02 2011-2-23 15:53 王老师,您博客人气很高啊。祝您在新的一年身体健康,万事如意! 博主回复(2011-3-2 14:34) : 谢谢关照! 举报 yangyq 2011-2-20 19:53 拜读! 博主回复(2011-3-4 08:16) : 谢谢! 举报 luo971 2011-2-20 14:19 王老师云: "人类已经观察到100多颗太阳系以外的行星". 这信息须更新修正. 2010年, NASA报告, 人类已经观察到近500颗太阳系以外的行星. 但它们都不适合人类居住. 罗渝然, luo971@ustc.edu.cn 博主回复(2011-3-2 14:30) : 谢谢指教,最近看东西少了,看来知识不更新是不行的! 举报 yuzh 2011-2-20 12:22 谢谢王老的博文 我的博客专著正写到“多环芳烃的芳香性”,将介绍我们的新的研究方法, 也将介绍我们与价键理论研究人员之间的重大争论。 所以,您的关于多环芳烃的论述引起了我的思考. 从苯到多环芳烃,从多环芳烃到石墨烯,除了分子量的增大外,材料的组成也发生了质的变化,根本的变化是,石墨烯是单分子材料,其他所有的材料都是有无数的分子组成的. 因此,石墨烯的所有化学物理性能都是单分子的性能,没有分子间的作用。可以这样说,石墨烯为分子内的作用,分子内的轨道作用的研究提供了一个非常好的途径. 其他所有物质的化学物理性能,很大程度上取决于分子间的作用. 例如,它们的光谱性能是大量分子所表现出的一种统计分布的结果。 即使C60,碳纳米管等,也不是单分子材料。石墨烯虽然也可以说是大分子,但与有机大分子也有本质区别,根本的区别也在于石墨烯是单分子材料 . 理论化学的研究仅仅是对单个分子做研究,这种研究完全忽略了分子之间的作用。 因此,有些理论很难获得实验的证据.期盼石墨烯为基本理论问题的研究,提供有力的实验证据. 博主回复(2011-3-4 08:15) : 谢谢关照,只是理论化学我也不太懂。 举报 luo971 2011-2-20 09:17 王老师, 你能帮助我吗? 提前感谢了. 你在哪里? 寻找一位匿名研究石墨烯的大侠 罗渝然, luo971@ustc.edu.cn 一月二十日, 王茂章老师发表博文 “研炭翁说碳(三), 谈谈石墨烯的强度” ( http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=526286do=blogid=405824) ,引来多位大侠讨论。 其中一匿名博友 (IP: 123.118.2.* ) 提出利用碳碳双键(C=C)键能估算石墨烯的弹性模量. 我对这样的估算很有兴趣。 借《科学网》交友,那位匿名研究石墨烯的大侠,你在何方?交个朋友吧!. 博主回复(2011-3-2 14:27) : 罗老师,很抱歉,最近未上网,回复较晚,记不太清楚了,可能是下述文献,请查看。Appl.phys. 31.283(1960); 41.4893(1970) 王茂章 研炭翁说碳(七)——碳在地球上的轮回转世 精选 已有 1057 次阅读 2011-3-2 13:31 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:style 起源 星云 元素 地球起源于 46 亿年前原始星云,碳是形成地球宇宙微粒的主要构成元素之一。随着地球的演化,碳在地球的不同圈层内也在不断地变动和演化。地球中重元素较多,从地表到往下 16 公里 的地层,包括大气层和水圈在内,碳的质量分数仅为 0.08% ,其丰富程度仅列第 14 位,远低于氧、硅、铝、铁等元素。但是,碳却是存在形式最复杂的元素。基于碳的极高成键能力和独特的性能,唯有碳,才能够成为太阳能的主要 化学能源 载体;也只有碳,才能成为构成地球上各种生物体的骨架元素。 地球上的碳,除了大部分演化为 碳酸盐和 化石 燃料外 , 也有极少量在各种特殊条件下转化为单质碳,如石墨和金刚石,甚至还有天然富勒烯和纳米碳管。 在各种特殊条件下,碳在宇宙和地球上演化为众多的有机分子 ( 如碳水化合 物、 氨基 酸、 蛋白 质、 核酸等 ) ,进而发展成能自我重构的大分子,即有遗传信息的原始基因片段。这些原始基因片段利用自身及周围材料,在光能等作用下通过生物化学反应重构自己的躯体 , 在不同的条件下经过长时间的进化发展,在地球上终于形成了当今包括人类在内、各种动植物繁衍的大千世界。 地球上所有的“能 ” 均来自太阳。物质可以循环,但能量消耗转化后却不能再生。自养型植物可通过其体内的叶绿素吸收太阳能使低能量的 二氧化碳( CO 2 ) 和水转化为高化学能的糖类贮存于体内,而异养型动物则要通过食物链由植物或其它动物取得能量来保持自身的机能。生物通过有控制的呼吸作用缓慢地燃烧糖类释放出 CO 2 ,同时产生能量供生物体维持其生命。这一新陈代谢是生命的基本特征,是生物体与外界环境之间物质和能量的交换过程,而正是碳在这一演化过程中起关键作用,也只有碳才能完成这一重大使命。 佛教认为人可以转世,既有我这辈子必然有上辈子,并且认为转世的不是肉体,而是灵魂。然而,从科学角度看,人体中可转世轮回的只有身体中的碳,它既有今生,还有前世。任何人身体中的碳无不来自亿万年前恒星的热核反应。人和其他动物一样,每天通过食物输入新的含碳有机物,以提供维持生存的能量,同时又通过呼出 CO 2 及排泄出残余含碳废物,进行体内碳原子的不断代谢更新。人在百年之后,整个躯体中含有的碳物质将飞灰烟灭,在细菌及氧的作用下完全分解成 CO 2 ,如果这些 CO 2 与日常呼出的 CO 2 被植物吸收就又有可能再次轮回到下一代的人体中。说不定你身体中的某一碳原子几千年前曾在秦始皇身上呆过,也可能上辈子曾在牛马体内停留,各种几率都有,但是因为碳原子的数量实在太多,每一种情况的单一可能性又极低极低。 地球上贮存碳的最大两个碳库是岩石圈和化石燃料,其总含碳量约占地球上碳总量的 99.9 %。地球上还有另外三个碳库:即大气圈,水圈和生物圈。这三个库中的碳在生物和无机环境中不停地交换。岩石圈中碳主要以碳酸盐形式存在总量为 6 × 10的 16 次方 吨,大气圈以 CO 2 和 一氧化碳 形成存在,总量为 7 . 2 × 10的11次方 吨,水圈中以多种形式存在,生物库则主要以有机物存在,海洋中含碳量是大气中含碳量的 50 倍,为 3.84 × 10的13次方 吨。 释放 CO 2 的库,称为“源”( Source );吸收为 CO 2 的库,称为汇 (Sink) 。岩石圈中的碳借助于岩石的风化和溶解,化石燃料的燃烧以及火山爆发等可重返大气圈和水圈。贮存在动植物体内的碳也可因燃烧死亡后细菌分解等途径转化,将 CO 2 释放于大气中。陆地生态系统也与大气迅速交换 CO 2 ,但其循环周期要数十年。地球早期陆地未被现代大气 CO 2 饱和,故当大气 CO 2 增加时,陆地植物是人为碳的潜在碳汇。大气中 CO 2 不断在海洋表面与之交换 CO 2 ,但海洋表面吸收 CO 2 的能力却随大气中 CO 2 的浓度增加而降低 。 地球上碳的循环 温室效应是大气吸收太阳热的一种效应,起主要作用的是大气中被称为温室气体的微量气体,包括 CO 2 、甲烷、水蒸气、氯氟烃等,它们比其它气体传递红外辐射的效率更差,使能量在对流层中积累,这些气体浓度的增加将使气候变 暖 。 人类的生存通过人体的新陈代谢燃烧各种含碳有机食物所积累的太阳能而得以维持,同样人们的生活也是依靠含碳的煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧,释放所积蓄的太阳能来提供衣食住行各方面所需的能量。随人类繁衍增多以及生活水平的提高,所消耗的能量也与日俱增,碳的消耗量也大大增加。 1850 年到 1950 年的 100 年间,从化石燃料计算全球所消耗的碳仅 600 亿吨,而目前每一年的量就达到 80-90 亿吨碳。按 1 吨碳燃烧后将放出 4 吨 CO 2 计算,一年就有约 350 亿吨 CO 2 排放到 大气中。事实上,全球大气中 CO 2 含量已由 1800 年的 280ppmv 增至目前的 380ppmv 。而 1860 年以来 , 地球表面平均温度也增加了 0.6 ± 0.2 ℃。 工业革命后的近 200 年来,人类活动已大大地改变了地球上碳的循环。 全球变暖将进一步加剧海洋、土壤中储存的碳以 CO 2 形式释放,冰山和积雪的减少将严重影响世界 1/6 人水的供求。由于海平面将升高,估计到 2100 年海平面可能上升 15-90cm ,若在 50cm 左右 就 将有 900 万人直接受到影响。气温的提高也将带来气候异常、物种消失、空气湿度的进一步上升。 正是由于碳作为能量载体的循环所带来温室效应等问题,需要人们 对当前的生产和生活方式进行深刻的反思。 从世界范围来看,全球气候变化正在推动世界向低碳经济发展,朝节能减排方向转变, 也更要求“ 低碳 ” 成为人们日常生活的一种习惯,养成自然而然地节约身边各种各样的资源。倡导低碳生活,呵护我们赖以生存的地球。 值得提醒的是,这里所谓 “ 低碳 ” 的“碳”是 CO 2 的简称。实际上,人类将碳元素作为材料的开发和利用正欣欣向荣,日新月异,各种碳质材料正在提高和改变着我们的生活。更多利用“材料碳”,就会更少使用“能源碳”,排出的 CO 2 也将更少。详情请看研炭翁说碳(八)碳作为材料的开发。 举报 gaojianguo 2011-3-6 13:26 王老师有可能没有注意到在这个网站的右下角还有更靠近的数据:391.98ppm 这可是NOAA实时更新的哦 另外,王老师也可指教: http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=260340do=blogid=418504 博主回复(2011-3-7 08:11) : 谢谢,学到了新的知识。 举报 weinyuan 2011-3-5 18:46 好文章。既然谈的比较专业,图表也应当比较专业。碳的循环图中内容涵盖过少。人类对碳源的贡献不但有化石燃料的燃烧,也有土地利用方式的转变(文中已提及)。呼吸作用不但有动植物,更重要的是土壤的呼吸作用(细菌参加),土壤碳库约为大气碳库的三千倍,它微小的波动都可以改变成分。侵蚀作用可以理解为河流对颗粒碳的搬运及掩埋作用,以及岩石矿物的化学风化作用对大气中CO2的消耗,并通过溶解离子的形式搬运至海洋。对于海洋中碳的循环,欠缺的就比较多,我也不在行,不做评价了… 博主回复(2011-3-6 08:47) : 谢谢!确实没下功夫,随便找了张图挂上,以后应注意。因是科普文章,文章又不能太长,无奈只好粗略谈到。 举报 gaojianguo 2011-3-5 18:41 全球大气中CO2含量已由1800年的280ppmv增至目前的380ppmv。 给王老师推荐一个有意思的网站: http://co2now.org/ 博主回复(2011-3-6 08:38) : 谢谢!补充得太好了,学到不少知识。看来应改为“增至目前的391.19ppmv”,再次感谢! 举报 dunkelblau 2011-3-5 04:56 很好的文章。 博主回复(2011-3-6 08:39) : 谢谢关照! 举报 yxqscsio2081 2011-3-3 12:11 确实写得不错! 但有些说法可能欠妥。比如王老师文中写到“地球上所有的“能”均来自太阳。”,这可能是没考虑到来自地球内部的那部分能量,目前已经发现并证实不少深海底栖生物体系靠的不是太阳能而是地热能。 博主回复(2011-3-4 08:26) : 谢谢指正,确实不严谨,应改为”地球上的“能”主要来自太阳。” 博主回复(2011-3-4 08:26) : 谢谢指正,确实不严谨,应改为”地球上的“能”主要来自太阳。” 举报 MJ2009 2011-3-3 01:11 感谢王老师的碳系列博文,很有意思。一个小地方或有不妥,请指教,目前所谓的“低碳”的“碳”并不是CO2的简称,而是温室气体的统称,因为温室效应都是用等效CO2当量来计算的。 博主回复(2011-3-4 10:30) : 谢谢指教,确实不够严谨,改为“这里所谓“低碳”的“碳”是温室气体按等效CO2当量计算所得CO2的简称”可能更好。 IP: 117.14.118.* 举报 匿名 2011-3-2 23:54 好文章! 博主回复(2011-3-4 10:31) : 谢谢! 举报 gxfang 2011-3-2 20:52 论证过吗?? 博主回复(2011-3-4 10:32) : 不知论证什么,请指教! 举报 陈安博士 2011-3-2 19:56 还是很科普的,可是属于专业性问题,推荐和评论还是少 这个大概也挺让人无奈的 博主回复(2011-3-4 10:34) : 谢谢关注! 举报 phmao 2011-3-2 18:42 王老师写的好,学习了。期待下集…… 博主回复(2011-3-4 10:33) : 谢谢!我将尽力。 举报 mullergw 2011-3-2 17:42 写的很好,学习了! 博主回复(2011-3-4 08:23) : 谢谢关照! 研炭翁说碳(八) --不断提升人类生活质量的碳 精选 已有 1005 次阅读 2011-3-11 06:22 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:office style 不断提升人类生活质量的碳 - —— 碳作为材料的开发 碳原子的最大特点是不但能与其它大多数元素互相化合,而且碳原子之间也能相互连接,形成各种各样的链状、环状、层状或笼状结构。碳是形成人体组织的骨架元素,它也可在人类生产和生活所利用的一些材料中起着独特的作用。人类在文明的发展过程中不断认识、发现碳的特性及功能,不断地合成、开发和利用各种各样的含碳有机物质和无机碳质材料。 人类进化以来,很早就开始利用各种含碳物质和炭材料。人直立起来后,首先学会的是用含碳的植物作燃料来取暖和烹煮食物。然而,直到公元 18 世纪 , 人们才逐渐认识到,碳是一种元素 , 发现木炭、煤炭、石墨和金刚石都是由碳元素组成。 18 世纪之前,人类仅将碳作为一种资源。我国在公元前 5-6 世纪就已将烟炱制成墨汁, 18 世纪英、德、法等国用天然石墨制成铅笔,这些都为推动人类文化事业的进步做出了贡献。早在公元前 30 世纪的埃及和 10 世纪左右的殷代,人类就已利用木炭中的碳作为能源和还原剂还原矿石以获取铜、铁等金属 , 使人类进化到青铜时代和铁器时代。 钢铁是现代社会的物质基础,是建筑、运输、制造业和人们日常生活必不可少的材料,但钢铁工业的发展却离不开碳。人类从 18 世纪开始用焦炭作还原剂,至今炼铁用焦炭的产量仍然是含碳原料中加工和使用量最大的。但是,你知道吗?铁中如果没有碳,就既没有强度也没有硬度,只有碳才能“ 点铁成钢 ”。钢是含碳量为 0.03% ~ 2% 的铁碳合金,随含碳量升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。然而,当含碳量超过 2% 到 4.3% 时,这一铁碳合金又变成了硬而脆,但能耐压、耐磨的生铁。你看,碳的作用不是太神奇了吗? 19 世纪随着电炉炼钢的开发,利用碳的导电性、耐高温性和耐腐蚀性,通过天然石墨或者焦炭的烧结和高温石墨化处理制造的各种高功率及超高功率的人造石墨电极得到发展,从而极大地改善了炼钢过程。再后来,随着电力、电解和机械工业的发展,利用碳的导电性、润滑性的各种炭电极、电刷和电极糊在炼铝和生产烧碱等方面也得到了应用。 石墨电极          电极接头 鉴于其表面和孔结构特性,骨炭 ( 含碳 10%) 、木炭等从远古时期就被人们用于吸收臭气,脱除杂色以及防腐、防水和药用。 20 世纪初,活性炭就已经工业化生产,当今粉状、粒状、球状、纤维状的活性炭在净化空气、治理废水等环境保护方面发挥着日益重大的作用。炭黑生产在 19 世纪才发展起来,也在炸药、印刷油墨、涂料、电极等材料中起着难以替代的作用,而在现代人们生活必不可少的橡胶中,必需用炭黑作补强剂和填料。炭黑在这方面的消耗量几乎为橡胶消耗量的一半,橡胶用炭黑占炭黑消耗总量的 94% 。没有炭黑恐怕汽车轮子就很难跑起来! 20 世纪后半期,基于碳科学的发展,有意识地利用碳原子小而轻、耐中子辐射、且具有大的结合能等特性,制造了包括核反应堆等使用的高密、高纯、高强石墨,热解石墨,柔性石墨,玻璃炭,各向同性炭,高性能炭粉及金刚石薄膜等,这些碳质制品都逐渐得到开发和应用。特别是强度大、模量高、质量轻的炭纤维得到迅速开发,并作为增强剂用于增强树脂、金属、陶瓷等,使各类复合材料在航天、航空等工业及文体用品等领域得到广泛应用。可以说,没有炭纤维的开发就没有航天事业的今天。 人们基于对碳的特殊性和多样性认识的进一步深化,通过综合利用其物理、化学、光、电、磁及核物理等综合特性 , 制造了可用于核聚变、半导体器件制造、锂离子电池电极等方面的各种新型炭材料。通过自烧结、材料复合、塑料成型或模板炭化以及气相沉积等新的成型方式,得到不同维度和形态的炭制品和新的碳质基材,如中间相小球、类金刚石薄膜、富勒烯和碳纳米管等。随着纳米材料在制造、表征及物化性能调控方面的整体进步,富勒烯 , 碳纳米管及其它类型的纳米碳质材料方面的新发现,新成果及新应用不断涌现 , 碳质材料的发展也日新月异。近年来,有关石墨烯的研发 , 再次将特种碳基材料推向一个新的高潮。科学家预测这一材料将会在电脑和医学等研究领域掀起一场声势浩大的科技革命。富勒烯、碳纳米管和石墨烯等这些新形态的碳和它们的新功能,很可能于本世纪内在微电子领域促成“硅”被“碳”的替代。 每分钟开闭70-80次,       石墨减速核反应堆 每次排血液70ml的人造炭心瓣膜 从古至今,煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、石墨电极、铅笔和炭膜开关、天然金刚石、人造金刚石、人造金刚石薄膜等,人们几乎无处不在与之接触。而 19 世纪之后随着碳氢为主要构成元素的有机化学的发展,促使人类不但制造出包括药品、染料、涂料等生活必需品在内的数千万种有机物,而且还开发了结构上基本以碳为主链的三大合成材料 — 塑料、橡胶和合成纤维 , 这些合成材料为人们创造了一个绚丽多彩的新世界并且在衣食住行方面大大地提高了人类的生活水平。 1989 年“科学”( Science )杂志开始创办“年度分子”( The Molecule of the Year ) 栏目,评选当年最具影响力的分子,这一分子也被称之为“明星分子”。 1990 年被选中的是人造金刚石,所以当年也因此被称为钻石年。 1991 年又授给了碳 60 (C 60 ) (又被称之为巴基球( Buckyballs )、富勒烯( Fullerenes )等)。在仅有 6 年的“年度分子”评选中,碳元素就连续获得了两次。 1996 年起,该栏目变更为年度突破( Breakthrough of the Year ),即评选当年的十大科学成就,石墨烯的应用又于 2009 年被列于其中。基于发现零维富勒烯和一维纳米碳管以及对二维石墨烯的分离、认定和分类,这三种碳材料的研究者分别获得 1996 诺贝尔化学奖、 2008 年 Kavli 纳米科学奖和 2010 诺贝尔物理奖 。以上这些都说明,近三十年来,人类进一步加快了对各种类型碳的同素异性体的理解、研究和开发,并且取得了长足的进步,而这些进步将为人类广泛利用碳的特异性能开拓出无可限量的前景。 今天碳质材料及各种碳化合物对人类来说已成为生产和生活中不可或缺的材料。鉴于碳的化合物多样,加上其性能独特、形态众多、资源丰足、良好生物相容性以及碳质材料加工制造的低能耗和不锈不蚀、易于回收循环和转化等特点,今后其开发速度必将加快,而碳材料的发展也必然会进一步加速。传统炭材料继续生产 , 新型炭材料更为成熟 , 功能材料 ( 特别是纳米碳质材料 ) 将大力开发 , 碳的合成化学会进一步发展。难怪有不少学者认为: 19 世纪是铁器时代, 20 世纪是硅的时代, 而 21 世纪有可能是碳的时代! 用 35 吨炭纤维增强复合材料 石墨烯制的 100GHz 晶体管 的波音 787 客机 实在抱歉,本文原图不是这样的,复制到博文上图形就变了,而且还修改不了。请高人指导一下。 举报 yuzh 2011-3-11 18:57 关于图的问题,如果用Windows的图画功能,是会产生你文中图的变化的. 你可以试试用PS软件,然后按尽可能高的分辨率储存。 博主回复(2011-3-15 11:32) : 谢谢指教!但ps软件也不熟悉,看来还得多学习。 举报 macimous 2011-3-11 14:55 王老师真不容易啊,退休后还孜孜不倦为我们普及新型炭材料知识,精神实在难能可贵 博主回复(2011-3-14 18:43) : 谢谢誇奖! 举报 admin 2011-3-11 10:18 您可以点击博客下方的“修改”,图片上传请您参阅 http://bbs.sciencenet.cn/misc.php?mod=faqaction=faqid=31messageid=37 。 博主回复(2011-3-15 11:29) : 谢谢指教! 研炭翁说碳(九) 碳还会带来新的惊喜吗? 精选 已有 682 次阅读 2011-3-20 16:00 | 系统分类: 科普集锦 | 关键词:office style 碳还会带来新的惊喜吗 ? - 兼谈碳有多少同素异形体 早年人们认为碳的同素异形(性)体只有石墨和金刚石,然而近 30 年来,人造金刚石、零维富勒烯、一维纳米碳管以及二维石墨烯这些新的碳同素异形体的发现、获得以及各自特殊性能的研究给我们带来不断的惊喜,碳元素多次成为 “明星分子”。 碳还能继续带来新的惊喜吗 ? 其实,胡盛志老师在他的博文“ 从球碳 C60 到石墨烯 : 会有下一个碳明星分子吗?”一文中就经已做了很好的答复。碳元素完全有可能再次成为“明星分子”,也将给我们带来更多的惊喜,其原因就在于碳有 无穷无尽的同素异形体,而其中大多数我们现在都还没得到,其性能更是不很清楚,新的碳同素异形体的研究和开发,就完全有可能 给我们再次带来新的惊喜 。 碳为什么能形成同素异形体? 我们知道,碳的原子序数为六,共有 6 个电子。碳原子在基态时 , 其电子在能量从低到高的电子层内配置为:第一层的 1 s 2 有两个核心电子;第二层的 2 s 2 和 2 p 2 有 4 个更弱的能成键的电子,被称为价电子,它们在形成碳单体和化合物的价键中起重要作用。绝大多数情况下,碳原子 2s 电子亚层中的一个电子可受激发跳到 2 p 电子亚层的一个空轨道中。这样就形成 2 s 和 2 px 、 2 py 和 2 pz 四个能成键的价电子。然而,这 4 个轨道在不同情况下又会相互混杂成杂化原子轨道。在 sp 杂化时,碳原子 2 s 的一个轨道只和 2 p 的一个轨道,例如 2 px 进行杂化形成 sp 杂化轨道,它们在键合时形成两个 σ 键,而剩下的 2 py 和 2 pz ,则会形成 2 个 π 键。碳原子以 σ 键结合时,两原子间的电子云在轨道的长轴方向结合,即形成头对头的叠合;而以 π 键结合时,则在轨道的长轴方向平行靠拢,即成为肩并肩的叠合。在 sp2 杂化时,碳原子 2 s 的一个轨道和 2 p 的两个轨道,例如 2 px 和 2 py 进行杂化形成 sp 2 杂化轨道,形成 3 个 σ 键,而剩下的 2 pz ,则会形成 一个 π 键;而在 sp3 杂化时,碳原子 2 s 的一个轨道和 2 p 的全部 3 个轨道杂化,形成 4 个 σ 键。π轨道的π电子在碳材料中起着独特的作用,σ电子可说是形成物质的骨架基础,而π电子则是发挥物质功能的根源。这点以后将专文介绍。 总之,碳原子的 6 个电子中能成键的 4 个电子,随其占有轨道的不同组合,在碳原子相互结合或与其他原子形成化合物时,基本上可以产生三种不同的化学键,即单键、双键和三键。包括地球在内的宇宙时空内有丰富的碳单质和碳的各种化合物,它们都是这些杂化碳原子的产物。 碳与同在周期表中笫四族的硅和锗不同,它除了内部有 1 s 2 轨道、只含两个核心电子外再没有其它内部轨道,因此可以形成包括 sp 在内的、 n=1-3 的三种 sp n 杂化。硅和锗的原子序数更大,电子层更多,受内层其它内部轨道所影响,只能形成 sp 3 杂化而没有 sp 2 和 sp 杂化,它们也只能形成 sp 3 杂化的一种立方固体基态,由于它们的结合半径比碳原子更大而不能形成稳定的双键。这也正是硅和锗不能像碳那样,形成大量有机化合物和众多同素异性体的原因。比碳原子结合半径更小的氮和氧等有可能形成多重键,但它们能成键的价电子数少,这就意味着可形成的结构数少。因此,周期表的所有元素中唯一只有碳是能形成更多价键的原子,也只有碳元素才能形成更多的结构,是能有更多变化和更多同素异形体的元素。正是由于在原子间有独特的链接能力,使得碳原子能形成链,环和网状等各种各样的结构。 Heimann 等德、俄、日的 3 位学者于 1997 年共同将各种已被证实、假设和推理可能存在的各种碳的同素异形体总包在一平面三角形的碳键杂化图中 ( 图 1) 。三角形顶点分别代表 sp 3 、 sp 2 和 sp 杂化碳原子单独形成的所谓“原型” (archetypical) 同素异性体:金刚石、石墨和炔碳。而三角形边线则由被看作是由 sp n 组成 (1 ﹤ n ﹤ 3) 的包括各种中间形态的碳,在三角形内部则为具有不同程度三种杂化碳原子混合形成的各种无定形碳。 例如,各种富勒烯和碳纳米管都位于 sp 3 - sp 2 三角线上,随五员环 (P) 和六员环 (H) 的环数比不同,各种富勒烯位于该线的不同位置。 P/H=0 相当于纯石墨,而 P/H= ∞时则相应于全五员环的碳簇 C 20 。理论上 C 20 是一种类金刚石的富勒烯,由于违反了隔离五员环的规则,它很不稳定,易崩裂成金刚石结构,用激光蒸发源选择产生 C 20 附近大小分布的碳簇时,就可形成几乎是纯 sp 3 杂化碳原子的类金刚石碳。 C60 的 P/H=0.6 ,而其杂化程度相当于 Sp2.28 。 图 1. 碳同素异性体的平面三角形“相”图 杂化程度为 1 ﹤ n ﹤ 2 的碳,包括近年来通过不同方法合成的单环环状 (N) 碳 , 其环中碳原子数 N=18 、 24 、 30 …等处于 sp - sp 2 连线上。由 sp 2 形成的六员碳环被 n 的 -C ≡ C- 连接键合而成的 石墨炔 (Graphynes) 也在这一边线上。笫三边 sp - sp 3 线上的碳是目前了解得最少的部分。例如石墨通过冲击波转变成金刚石时短暂呈现的一种相,相应于所谓一维超级金刚石的假设结构 - 聚炔 - 金刚石,被认为是由皱折的类金刚石层组成,其中稠密的碳环呈发状构型、被垂直于层面短的 sp 型碳链连接在一起。在这一边线上还可能存在 3D- 超级金刚石晶格碳。 位于三角形内部的碳是以各种方式结合 , 由三种杂化形式以不同比例混合而成。例如各种无定形碳和玻璃碳等,它们的结构十分复杂,可能拼合有任意分布的、中间杂化态的结构单元,其结构和数量随合成的方法和条件而定。在这一区域内还可能包括更复杂的由混合和中间态结构两种单元组成的碳。从这一图可以看出, 其中大多数的碳我们现在都还没能得到,其性能更是不很清楚,这方面的研究还有极大的空间,很可能会带来一些意想不到的结果。 在上面的三角形图中,因为只谈及碳的同素异形体,所以完全没有考虑氢原子的存在。由有机物热处理转化成的大量炭材料,以及由化学气相沉积 (CVD) 法形成的类金刚石薄膜等,都还含有微量的氢原子,其 C/H 比多在 10 以上,因此我们考虑:如果加上氢原子在碳氢化合物中的作用,就可以在原来仅有碳的平面三角形图中加上氢原子对 C/H 的影响 ( 图中各烃类后的数字为碳氢原子数比 ) ,从而可形成如图 2 的正四面体图。图中含有不同微量氢的各种炭材料则处于逐渐接近底面、三角形纯杂化碳键图的上部,处于由黑粗线所包围的有一定厚度的阴影三角形内。 图 2. 碳和炭的正四面体相图 (a) 和有关烃类的分子构型 (b) 从这一立体图可看出各种有机烃类向炭 (C/H10) 和纯粹碳物质的转化,如经甲烷、 60 烷、金刚烷和立方烷向金刚石的变化;经乙烯、丁二烯、苯、丁省、晕苯和卵苯向石墨的变化;经乙炔和丁二炔向卡宾的变化等。 碳原子的特异性使得碳的同素异形体如同碳的化合物一样,多种多样、无穷无尽,其性能也千变万化。每一次新的碳同素异形体的发现,均带动和开拓出无数研究和开发应用的新领域。今后各种碳的同素异形体有可能和碳所形成的各种有机化合物一样,在无机材料方面发挥出其独特而重要的作用,加强对新型碳同素异形体的研究,必将大大推动“材料碳”在新材料领域的开发和应用,也必将 给我们带来 更多新 的惊喜 ! 举报 springbamboo 2011-3-21 09:13 正是由于碳有较多的同素异形体,如要合成较纯的碳单体,涉及到多次提纯,成本会非常高,如C60、石墨烯,单壁碳纳米管,其它合成本相对较高的如金刚石薄膜、类金钢石薄膜、多壁碳纳米管、高质量碳纳米纤维等。所以限制了一些新发现的碳同素异形体的应用。可见,合成方法的研究也是非常重要的。这几年在nature Nanotechnology等期刊上已有相关文献发表,取得了一些进展,但还是远远不够的。 博主回复(2011-3-22 07:13) : 你说的很对,同意你的观点。随着科研手段的进步这方面的研究必将获得更多新的结果。
个人分类: 科网群英烩|9089 次阅读|2 个评论
20世纪后期最“坚硬”的科学实验
热度 3 jitaowang 2010-9-13 17:23
--- 激活低压人造金刚石的科学发展史 摘要: 金刚石是珍稀的宝石和财富的象征。金刚石还是所有物质中硬度最高的物质。人造金刚石是人类几百年来梦寐以求的目标和追求。也一直是理论和实践相结合的典型事例。最近 40 年来的激活低压人造金刚石的成功是 20 世纪后期最坚硬的科学实验。至少有两次成为轰动全球的重大科学新闻,并由此带动了现代热力学理论上的突破和发展。 1 .金刚石的发现和人类的追求 人类发现金刚石的历史据说已有几千年. 最早关于金刚石的文字记录是在圣经中, 早在公元前12世纪人们就知道它的存在. 金刚石一直被当作一种珍稀的宝石和财富的象征, 而且金刚石还是所有物质中硬度最高的. 金刚石的英文名称 diamond 一词, 来源于希腊文中的 adamaz , 意思是指不可征服的 . 从字面上也可以看出金刚石的特性 . 此外金刚石还有着许多优异的特性 , 比如导热率比银和铜还要好等 . 金刚石在工业上有很高的经济价值 . 人们早就知道所以石墨和金刚石都是碳的同素异形体 . 而且煤炭也是碳的同素异形体 , 但它是碳的无定形体 , 金刚石与石墨的价值悬殊 , 使人们想到能否用石墨来制取人造金刚石 . 2 .所谓的 19 世纪低压金刚石及其破灭 由于金刚石是碳的同素异形体中密度最高的 , 以及自然界中天然金刚石的原生矿都与火山爆发形成的岩筒金伯利矿 ( 角砾云母橄榄岩 ) 有关 . 因此设想生成金刚石需要高温和高压条件 , 而且要隔绝空气以免生成金刚石后仍被烧毁 . 从 19 世纪到 20 世纪初 , 当时的条件十分简陋 , 往往把石墨放在封焊的铁管中 , 再投入炉火中来凑合设想的 高温高压 条件等方法来试验 , 并且多次有人声称得到人造金刚石 . 但是经过他人证明这些工作不是虚假的 , 就是所得到的物质并不是金刚石 . 1928 年 , 《自然》 (Nature ) 上刊登了一篇 关于人造金刚石问题 (The Problem of the Artificial Production of Diamond) 的总结性文章 , 认为 结论是直到当时从未真正在实验室中得到过人造金刚石 , 而研究者把一些透明、耐化学试剂、具有单一折射能力的矿物质误认为金刚石 . 3. 1955 年高压金刚石的成功 从 20 世纪 30 年代以来在。在当时主要是经典热力学的指导下知道:在低 压下石墨是碳的稳定态,而金刚石是碳的亚稳态 ; 大体上 必须在大气压的 15 000 倍的高压下金刚石才转变成为是碳的稳定态,而石墨则转变成碳的亚稳态石墨;这样才有可能让石墨自发转变生成金刚石 . 以经典热力学理论的预期作为指导 , 高压物理研究作为技术支撑 , 最后终于在 1954 年 12 月 16 日 , 由美国通用电气公司首先在世界上得到了人造金刚石晶体 , 并在 1955 年 《自然》 ( Nature) 上正式发表和报道了高压人造金刚石的实验成功。图 1 就 是一颗金 刚 石晶体半埋在已凝固的金属催化剂中间 , 它是在 6 GPa 和 1 700~1 800 K 用镍作催化剂得到的 。 此后又经过不断的改进 , 高压催化法成为目前人造金刚石工业化生产的主要方法 . 目前 高压人造金刚石在世界上年产量约 12 万吨 , 广泛应用于各种工业用途。 同时也证实了热力学预言的成功和基础理论科学的重要性 . 图 1 高压催化法得到的金刚石单晶体 . 4 . 1976 年激活低压人造金刚石的成功 理论和实验的关系是复杂的。有时是理论领先于实验,指导实验并检验理论。有时是实验领先于理论;推动新理论的建立和原有理论的发展。高压人造金刚石的成功可以说基本上是前者的典范;而激活低压人造金刚石的成功可以说基本上是后者的典范。 图 2 就是窦亚金等 1976 年发表在前苏联科学院院报( ДАН )上的低压金刚石晶体的照片。选用的标题是非金刚石衬底上生长的低压金刚石晶体。但是由于经典热力学的影响当时的西方学者很难接受这一真实的成就。 1982 年日本学者 Setaka 等人加以探索重复成功。也发表了学术论文,详细介绍了热丝法激活低压人造金刚石新工艺。但是还是没有引起人们的注意。 1984 年美国学者 Roy 参观了 Setaka 的实验室,亲眼目睹了激活低压人造金刚石的真实性。 Roy 回国后,在 1986 年初很快又重复成功。立即召开记者的新闻发布会,一举轰动了全世界。这一传奇式的科学发展经历也被一篇论文以评论形式记载了下来: 图 2 窦亚金 和斯琵西等 1976 年在非金刚石衬底上低压气相生长的金刚石晶体 . 这项新的金刚石工艺具有一段奇妙的历史 . 它是一个科学界的教训和通讯困难的故事 . 可能是受到金刚石神秘性的影响 , 使得一些科学家在提及他们的成就 ( 指前苏联学者的低压人造金刚石 ) 时曾经取笑地称之为 点金术 . 这项激活气相工艺首先是在苏联被认识的 , 此后到日本 , 最后直到最近几年才传到西方 . 图 3 和图 4 就是所用的实验装置,结构也极其简单。因此在全世界形成了一股激活低压金刚石的研究热潮。不久几乎世界各地都纷纷发表论文,报道试验成功。 图 3 热丝法激活低压金刚石工艺 图 4 微波 法激活低压金刚石工艺 热丝法的典型工作条件如下 : 10 kPa (0.1 大气压 ), 1 200 K 的硅 (Si) 或钼 (Mo) 衬底上 , 用 1% 的 CH 4 在氢气中的混合气为原料 , 热丝温度在 2 400 K, 需要用熔点很高的钨或钽作为热丝的材料 , 热丝和衬底的距离约 10 mm. 热丝的作用主要是使氢分子能分解出较多的氢原子 . 这样产生的氢原子浓度远远超过 1 200 K 衬底温度的氢原子平衡浓度 . 通常把它称为超平衡原子氢 (superequilibrium atomic hydrogen, 简称 SAH). 超平衡原子氢的存在是低压金刚石合成新工艺的关键因素 . 2005 美国华盛顿卡耐基研究院地球物理实验室的颜志学, Hemley 和毛河光 等人又进一步得到了一颗 10 克拉 、 透明无色的 CVD 钻石 , 并以 快速生长大钻石 (Very Large Diamonds Produced Very Fast) 为题发表了论文,媒体立刻大幅报道,再次引起了世界范围的轰动。图 5 只是其中发表的一颗小钻石照片。 图 5 美国卡内基研究所 2005 年宣布得到的低压人造金刚石钻 至此可以说,激活低压人造金刚石是 20 世纪后期最坚硬的科学实验事实。激活低压人造金刚石的成功还是热力学发展史上的大事件。由于经典热力学曾经宣告低压人造金刚石是热力学上不可能的,从而它的成功也充分暴露了经典热力学的局限性。 任何科学和科学理论都是建立在可靠的和可以重复的实验基础上的。求真务实是每一个科学家必须具备的基本素质。
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认清热力学现代化发展的大局
jitaowang 2010-5-15 09:49
前辈王竹溪的热力学和傅献彩等的物理化学( 1990 ,第四版)是我经常学习的两本经典热力学教科书。并且常常引用其中一些正确的基础观点和论点。当然这并不表示这两本书中所有的内容都是完全正确的,特别是科学的发展是与时俱进的。王竹溪的热力学出版时间较早。这里就介绍傅献彩等编著的物理化学第四版( 1990 )和第五版( 2005 )中的一些发展的内容。 例如傅献彩等编著的物理化学第四版 p. 171 2.15 不可逆过程热力学简介的熵产生和熵流小节中对正熵产生原理(该书没有采用这一名称,而是直接说 d i S (熵产生)却永远不会有负值。)作了介绍: 我们把熵的变化 分为两部分:一部分是由体系和外界环境间的相互作用而引起的(即由物质和能量的交流而引起的),这一部分熵变称为熵流( entropy flux ) , 用 d e S 表示 ; 一部分是由体系和外界环境间的相互作用而引起的(即由物质和能量的交流而引起的),另一部分由体系内部的不可逆过程产生的 , 这部分熵变如前所述称为熵产生( entropy production ) , 用 d i S 表示。于是有: d S = d i S + d e S ( 2.123 ) 显然, d e S 一般说来没有确定的符号,而 d i S 却永远不会有负值。 接着还说明: 如果在体系中的同一区域内同时发生着两种不可逆过程,例如两类化学反应过程,若用 d i S (1) 代表第一过程引起的熵产生项,用 d i S (2) 代表第二种过程引起的熵产生项,而 d i S (1) 0 , d i S (2) 0 d i S = d i S (1) + d i S (2) 0 这样一种情况是可能的,这便是不可逆过程之间的耦合。 这样的介绍实际上就是引入了现代熵概念的重要基础 -- 熵产生概念、正熵产生原理和热力学耦合的基本概念。对这一部分的内容,在 2005 年出版的该书第五版 p. 171 有着同样的介绍。这是符合时代发展需要的。而这样的内容在国内外的其他热力学本科生教材中可能还是不多见的。 又例如,傅献彩等编著的物理化学第四版 p. 15 中说: 例如上世纪末进行了从石墨制造金刚石的尝试,所有的实验都以失败而告终。以后通过热力学的计算知道,只有当压力超过大气压力 15000 倍时,石墨才有可能转变成金刚石。现在已经成功地实现了这个转变过程。 这句话是有弊端的,因为这仅仅是经典热力学或平衡热力学的结论。在 1970 年前后在前苏联就已经成功地实现了在非平衡条件下从石墨到金刚石的低压转变。因此 傅献彩等编著的物理化学第五版( 2005 年) p. 65 中在上述同样一段话后面添加了一句: 又例如,近年来人们改变反应条件在低压高温下,通过等离子体的耦合反应,研究金刚石的气相合成已取得进展。 这一教材中所指的 耦合反应 就是指 1990 年我们首次在国际上提出的 金刚石低压气相生长的热力学耦合模型(见王季陶等的专著,科学出版社, 1998 年)。 对我们的热力学耦合理论, 2001 年郭国钦等 (Gogotsi et al.) 在 Nature , 2001, 411: 283 上发表的文章说: 通过反应 (1) 和 (2) 方式来阐明 ( 低压 ) 金刚石生成的热力学耦合模型已经被很好地发展出来了 . : 国内 2001 年戴达煌和周克崧等编著的低压金刚石专著中第二章金刚石膜沉积的非平衡热力学与形成机理中几乎用了整章大部分篇幅对热力学耦合模型也作了详细介绍。 从 1986 年低压金刚石在日、美重复成功引起世界范围的轰动效应以来,所有基于经典热力学的理论模型都没有取得成功。而我们的 热力学耦合模型则是基于现代热力学的,也是迄今为止唯一成功的,能够实现定量化计算并且和大量可靠实验数据相符的理论。 因此可以说, 低压金刚石新工艺就是检验现代热力学的试金石。 衷心希望热力学本科生的教材能够与时俱进,跟上时代的科学发展步伐。同时也要指出,在傅献彩等编著的该书第四版和第五版上册后面有关热力学耦合的具体内容反应的耦合一节中还是有差错的,其中把 D G 和 D G 0 混淆了。
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