這都可以？科學家用碳原子把“積木”搭得出神入化_風聞

　　你可能聽説過很多非常高端的類似於石墨，碳纖維的碳材料，也還有石墨烯、碳納米管，富勒烯之類的碳納米材料，要是再瞭解多一些，你可能還聽過石墨炔、T-碳等的碳材料，一個“碳”原子真的很百變。

　　實際上碳元素在我們生活中無處不在，作為“碳基生物”，碳元素是所有組成人體的元素中第二多的元素，也是地球上生命體的基本骨架。

苯環結構

　　最近新鮮核桃成熟了，核桃這麼堅硬又別緻的小東西，在小編的手下被夾碎，恰核桃也是非常地快樂。核桃皮中就有大量的木質素，大約佔50%以上的成分。而木質素恰恰就拿捏着核桃皮中最堅硬的部分。

圖 | 某一種植物中的木質素 biooekonomie-bw.de

　　先別急着暈，木質素是一堆亂七八糟的五元環、六元環，但實際上也就是三種單體**“手拉手”****連接起來的一種有機物。**你可以就當玩一個拼圖遊戲，把下面的三個單體，依次拼到上面的大分子木質素中，雖然不能完全對應，畢竟真正木質素中總會有一些其他的小枝杈（官能團）在裏面。

　　不過話説回來，為什麼核桃這麼硬呢？**苯環在木質素中的存在賦予了它比較堅硬的特性。****德國化學家凱庫勒（Kekule）**在1858年提出的碳原子之間以單雙鍵交替的形式，首尾相連形成了六元環。雖然後來證明這種形式是錯的（應該是π-π共軛），但是在書寫時，這樣的形式被保留了下來。

圖 | 凱庫勒夢到的苯環分子式 來源：baike.baidu.com

　　苯環中碳原子和碳原子之間連接的穩定性不同於鏈狀分子之間的穩定性。這主要是在苯環中碳原子是以sp2雜化的方式連接在一起的，鏈狀分子更多是sp3雜化，****sp2雜化的形式會更穩定，而且連接起來離域的電子能夠導電。

圖 | 碳原子的不同構型 來源：Britannica.com

　　所以形成苯環之後就成了平面的結構，

　　這種結構的苯環上自由度更高的離域電子就會分佈在苯環的兩側，在如圖兩個環的區域內。

圖 | 苯環離域電子結構 來源：baike.baidu.com

　　要是苯環上的六元環周圍也是六元環，那就是我們常聽説的石墨烯了。

圖 | 四層石墨烯

　　石墨烯要是能捲成一個筒，那就是碳納米管。

圖 | 碳納米管 來源：users.skynet.be

來用碳原子搭積木吧

　　以上都是小學三年級的知識，但是碳化學這門學科裏的科學家，可是把碳原子玩的出神入化。如果把碳材料按照幾何形狀來分，可以分成零維、一維、二維，三維。

圖 | 將二維石墨烯揉一揉、捲一捲、疊一疊可以得到三個維度的碳材料 來源：sciencedirect.com

　　如零維的****富勒烯。1985年英國的克羅託（Harold Kroto）和美國柯爾（Robert Curl）及斯莫利（Richard Smalley）三位科學家制備出了由60個碳原子組成的C60，屬於我們常聽説的富勒烯。他們三人在1996年分享了諾貝爾化學獎。

圖 | C60結構 來源：c60purplepower.com

　　此外還有其他形式的富勒烯。

　　C60由20個六元環和12個五元環組成，組成了二十面體對稱封閉的籠型結構。雖然説富勒烯是石墨烯團成的球形結構但是C60中由於五元環的存在，在五元環的部位傾向於吸電子，夠對富勒烯進行多種加工，形成功能化的富勒烯，可以運用於催化、光學、儲能等領域。

圖 | 不同功能化的C60 來源：sciencedirect.com

　　要是説零維材料，那納米碳點也應該擁有姓名，這類材料實際上就是將大面積的石墨烯或者碳納米管和金剛石等，分散成一種類球狀的顆粒，這類材料具有非常獨特的光學性能。

　　在一維層面，最有代表性的就是碳納米管了，前幾年小編聽人們對碳納米管獲得諾貝爾獎的呼聲也很高，主要就是因為碳納米管有很好的機械性能、導電性、耐熱性，在傳感器、儲氫、電化學等領域都有很廣的用途。它是1991年由日本Iijima博士發現的。

圖 | 多壁碳納米管 來源：網絡

　　碳納米管的確和石墨烯的結構挺像的**，管壁上都是六元環。**實際上碳納米管就是石墨烯捲一捲，有時候還會多層碳納米管套娃在一起。電子能夠在管壁上移動的非常快，納米管兼具金剛石的硬度和良好的柔，但是與石墨烯不同的是只能在管徑方向上有很高的電子電導率性。

圖 | 石墨烯結構示意圖 來源：cas.cn

　　到了二維的層面，碳原子這塊積木就更多變了，首先就是最具代表性的石墨烯。2004年英國科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）發現了石墨烯，沒等幾年，在2010年反手就拿了個諾貝爾物理學獎。

　　石墨烯結構中，電子可以在石墨烯上進行遠距離的移動，具有良好的機械性能，導電性和導熱性等。石墨烯在我們鉛筆裏面存在的形式就是石墨，通常情況下單層石墨烯是不太容易製得的，拿個膠帶過來粘一粘鉛筆芯，頂多獲得是多層石墨烯，要是有誰説這樣能獲得大量單層石墨烯，你就一巴掌拍死他。

圖 | 拿膠帶製備石墨烯 來源：graphene.ac.rs

　　還有石墨炔，石墨炔的結構中相比之前介紹的材料，多了一類sp雜化的碳原子**，**也就是這類碳原子只有兩隻拉其他原子的手，呈直線形排列，這類碳原子鏈接起來就叫炔鍵。石墨炔則是由苯環和炔鍵連接在一起形成的，區別就在於，有的苯環之間是兩個炔鍵（石墨二炔），有的是一個炔鍵（石墨一炔），當然有的還有更多的炔鍵。2010年首次由李玉良院士合成出來。

　　這種二維碳材料具有半導體的性質，也有很高的硬度和韌性，能夠在太陽能電池，電化學傳感器儲能等方面有應用。

　　除了以上的這些二維碳材料，還可以從石墨烯中衍生出來更多的二維碳材料。他們共同的特點就是都含有環類結構，碳原子是以有三隻手的sp2和有兩隻手的sp雜化方式排列的。

圖 | 其他的二維碳材料（為了避免科學性問題，小編就不翻譯了，其實是懶 ） 來源：springer.com

　　最後再説到三維上，那碳原子就能伸出四隻手了（sp3雜化），那最有代表性的就是金剛石和石墨了。金剛石（鑽石）具有碳材料中最高的硬度，裏面的碳原子手拉手就可以形成規則的晶體結構。

圖 | 金剛石結構

　　而石墨也是很常見的材料，是鉛筆芯的主要成分，它是由石墨烯一層一層按照特定位置，堆疊起來的三維結構，層與層之間是範德華力。所以在層與層之間可以很輕鬆的相對滑動，通常還用做潤滑劑，小編家裏面要是鑰匙和鎖之間配合的不太順暢的時候，就會灌點鉛筆芯粉末，保證絲滑。

圖 | 石墨結構

　　在碳原子搭建的三維結構裏面還有好多種，下面只是列出的其中的一小部分，其中圈出來的灰色區域的部分屬於有金屬性的碳材料，也就是有良好的導電性。紅色區域的部分屬於硬碳材料，具有比較高的硬度。可以很明顯的看出有金屬性的材料更多是有兩隻手的sp雜化和三隻手的sp2雜化，而硬碳材料更多是有四隻手的sp3碳原子。

圖 | 其他的三維碳材料（為了避免科學性問題，小編就不翻譯了，其實是懶 ） 來源：springer.com

　　其中T-碳的發現非常成功地經歷了，從2011年的理論預測出這種新型三維碳結構，再到2017年在實驗室中成功合成的過程。

圖 | 2020年一項工作中理論預測的具有籠裝結構的三種三維碳骨架架構，下面是六種單體 來源：iopscience.iop.org

　　不僅如此，科學工作者還在不斷地預測和合成新的同分異構體材料，為碳家族不斷添入新的成員，未來諾貝爾獎會不會繼續有機會頒給碳材料的工作呢，小編想是肯定的~

　　參考文獻：

　　[1] Fullerenes (An Overview)-ch.ic.ac.uk

　　[2] 碳家族添新丁：我科學家預言的T-碳問世-觀察者網

　　[3] 碳納米點-baike.baidu.com

　　[4] 鄭志鋒, et al. 核桃殼化學組分的研究[J]. 西南林業大學學報(自然科學), 2006, 26(2):33-36.

　　[5] Zhang R S , Jiang J W . The art of designing carbon allotropes[J]. Frontiers of physics, 2019, 14(1):13401.1-13401.17.

　　[6] Zhang W,  et al. Six novel carbon and silicon allotropes with their potential application in photovoltaic field[J]. Phys: Condens. Matter, 2020, 32, 355701(1-10).

　　[7] 吳凱. 功能納米碳點"照亮"應用征途[J]. 物理化學學報, 2019(6).

　　[8] Xian-Lei, Sheng, Qing-Bo,等. T-Carbon: A Novel Carbon Allotrope[J]. Physical Review Letters, 2011.

　　[9] Haihong B , Lei W , Chao L , et al. Structural Characterization and Identification of Graphdiyne and Graphdiyne-Based Materials[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 11:acsami.8b05051-.