与碳家族亲密接触

文昌盛/整理

碳原子的世界是神奇的，它既可构成最软的矿物质石墨，又能构成自然界中最坚硬的物质金刚石。自20世纪80年代以来，科学家对获得碳的新结构产生了浓厚兴趣，基于这些结构，人们合成了许多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相关产品，进一步推动了社会的快速发展。

T-碳

前不久，我国科学家在碳原子研究上获得突破：由中科院大学物理学院苏刚教授等人通过理论计算预言的一种三维碳结构T-碳诞生，中外科学家联合研究团队成功合成了T-碳，从而使其成为可与石墨、金刚石比肩的碳的另外一种三维新结构。

T-碳是一种蓬松的碳材料，内部有很大的可利用空间，如果用作储能材料，储氢能力重量百分比将不低于7.7%。它在光催化、吸附、储能、航空航天材料等领域拥有广泛的应用前景。

T-碳还有一个特点，其密度非常小，约为石墨的2/3，金刚石的1/2。进一步的研究表明，T-碳有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外的行星中被观测到。

2011年，中国科学院大学物理学院的苏刚教授指导博士生胜献雷等通过大量对比研究后提出，如果将立方金刚石中的每个碳原子用一个由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代，将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。他们基于密度泛函的第一性原理研究，发现这种结构在几何、能量以及动力学方面都极其稳定，并把这种碳的新型同素异形体命名为T-碳。

业内专家如此评价苏刚教授等人的发现：“T-碳开启了碳结构研究的新纪元，将激发其他科学家进行广泛的理论和实验研究。”

石墨烯

石墨烯有着非同寻常的导热性和导电性，自从被成功制造出来后就被科技界看好，被认为是一种颠覆性的全新材料。因其优异的特性，许多人认为21世纪将成为“石墨烯时代”。

2004年，曼彻斯特大学两位研究员Andre Geim和Kostya Novoselov从石墨中分离出了石墨烯，这项成果使他们在2010年荣获诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，只有一个碳原子的厚度。铅笔芯中的石墨相当于无数层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是卷成了筒状的石墨烯。

石墨烯是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料，具有透明、导电性强、可弯折、机械强度好等特征，还能抵抗高压。

有了石墨烯，人类就可以开发出太阳能电池或几分钟即可充满电的手机电池。此外，石墨烯在检测食品毒素、特定病毒和细菌等方面也拥有独特的优势。如将石墨烯氧化物附着在特定毒素的类似于蛋白质的结构上，可产生一个增强信号，以便高敏感传感器检测到毒素，其检测能力相当于普通传感器的10倍。

目前，石墨烯产业被纳入国家战略布局。《中国制造2025》选择十大优势和战略产业实现重点突破，在首个重点领域技术路线图中，石墨烯材料成为前沿材料的四大领域之一。

富勒烯

如果你对未来充满野心，可以考虑一下投身内嵌富勒烯产业。内嵌富勒烯是目前世界上最昂贵的材料之一。

在英国牛津大学的一个新型碳材料研究实验室中，科学家正在研制内嵌富勒烯。不久前，他们刚刚将这种材料的第一份样品以3.2万美元的价格售出。这份样品的质量只有200微克，相当于一片雪花质量的1/15或一根头发质量的1/3。

富勒烯于1985年首次被发现，是一种球形的碳纳米结构，由60个碳原子组成一个紧凑的富勒烯笼，里面包含非金属单质的原子或简单分子，如氮、磷和氦等。这些物质不仅昂贵，而且当内嵌氮原子时，它们还具有改变计时方式的潜力，因为它们的电子自旋寿命非常长。

英国牛津大学的研究者正在开发能用于原子钟的内嵌富勒烯

富勒烯发现者Harry Kroto

目前，科学家正在研究将内嵌富勒烯用于原子钟的可能性。原子钟是世界上最守时的系统。牛津大学的科学家希望未来可以利用内嵌富勒烯制作出各种更加准时的设备。内嵌富勒烯有望大大缩小原子钟的体积——从橱柜般大小缩小到如同芯片——因此可以安装到手机中或与全球定位系统设备整合在一起。

如果能实现上述设想，就能将GPS的精度提高到1毫米以内。这听起来相当令人震撼，因为目前GPS的精度只有1米到5米。