石墨烯vs石墨炔 超級(jí)材料之爭 誰才能主導(dǎo)未來？

合成、分離新的不同維數(shù)碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點(diǎn)，科學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)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(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器、傳感器、太陽能電池、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)，通過不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體，激起了科學(xué)家們對(duì)新型碳的同素異形體的研究興趣，他們認(rèn)為該類碳材料具備優(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)過努力在世界范圍內(nèi)首次見證了碳家族新成員的誕生——石墨炔。

稻草還是黃金？

就在為石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歡呼雀躍之時(shí)，我國科學(xué)家首次宣布碳家族新成員石墨炔的誕生。

中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)，成功地在銅片表面上通過化學(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(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)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(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。

一直以來，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，而我國科學(xué)家做出來了？

美麗的“意外”

通過訪問中科院化學(xué)所李玉良研究員，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(yàn)積累。

李玉良課題組從源頭的分子設(shè)計(jì)開始進(jìn)行研究，漸漸地試著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)，李玉良研究員聯(lián)想到了一種化學(xué)的方法有可能使石墨炔大面積成膜，即在銅片表面上通過化學(xué)方法原位合成石墨炔，在這一過程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長所需的定向聚合提供了大的平面基底。

他們立即著手去做，質(zhì)變發(fā)生了，首次成功地獲得了大面積碳的新的同素異形體-石墨炔薄膜，世界震驚了！

棋逢對(duì)手：石墨烯vs石墨炔

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來就成為了“神奇材料”的代名詞。然而石墨炔的出現(xiàn)，再次刷新了“石墨烯”這一新詞的熱度。二者棋逢對(duì)手，那么到底誰更勝一籌呢？

先來說說石墨烯的非凡之處。石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)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(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用方向，是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)提升數(shù)百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，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)光板和太陽能電池板。

石墨炔，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料，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(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)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(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔有望可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲(chǔ)鋰材料，且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在面內(nèi)和面外的擴(kuò)散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能，從實(shí)踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲(chǔ)鋰能源材料，科學(xué)家也預(yù)測它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。

由此看來，在性能和應(yīng)用前景方面，石墨炔的“超能力”絲毫不遜色于石墨烯，作為初登科學(xué)界風(fēng)口浪尖的新型材料物質(zhì)，來自中國的石墨炔成績自然也不會(huì)差。

編輯：jq