改变世界的化工新材料有哪些？

不简单的碳材料

金刚石与石墨—— 一硬一软两兄弟

作为木炭和煤炭的主要成分，碳元素在生活中很常见。1787 年，拉瓦锡根据拉丁文中木炭的名称将碳元素命名为 Carbon。

人类最早发现的碳单质有两种——金刚石和石墨。金刚石就是钻石，它是自然界中已知的最硬的物质，也是熔点最高的单质（3550℃）。同样是碳的单质，石墨就非常软，其原因就在于二者的晶体结构不同

金刚石中，每一个碳原子周围都包围着另外四个碳原子，形成正四面体结构，正四面体相互连接构成一种三维网络，力学结构十分稳定，因此硬度很高。如果你观察元素周期表，会看到碳元素的正下方是硅元素，晶体硅和金刚石的原子排列结构是一样的，但硅为什么就没有金刚石硬呢？原因在于，除了结构以外，还得看化学键。碳碳键短而强，硅硅键长而弱，Si—Si 键的键长是 C—C 键的 1.5 倍，键能只有 C—C 键的 60%，因此硅没有金刚石硬。

和金刚石相比，石墨的熔点只下降了 50℃，仍然高达 3500℃，但硬度却有天壤之别。在莫氏硬度等级中，石墨排在最低的 1 级，而金刚石则位于最高的 10 级。铅笔芯的主要成分就是石墨，轻轻一划就会留下痕迹。石墨硬度极低，其原因就在于它的层状结构。石墨中每一层碳原子都是由六边形环构成的平面网状结构，化学键也很强，但层与层之间距离很远，仅靠分子间作用力维系在一起，所以层与层之间非常容易滑动、开裂、脱落。石墨的这一特性使它可以作为润滑剂来使用。日常生活中，如果门锁生锈钥匙插不进去，加点铅笔芯粉末就好了，就是利用了石墨的润滑性。

需要注意的是，硬度是指物质抵抗表面划痕的能力，即硬物可以在软物表面上造成划痕，软物则不能在硬物表面造成划痕。金刚石虽然硬度最高，但是却比较脆，如果拿一个大铁锤猛砸，金刚石也是会被砸碎的。

石墨烯—— 胶带撕出来的诺贝尔奖

非金属一般都不是电子导体，但石墨却是一个例外，它具有良好的导电性。其原因就在于每一层碳平面上，每个碳原子周围只有 3 个碳，形成 3 个比较强的共价键，但实际上碳可以形成 4 个键，还剩下 1 个价电子，于是这些剩余价电子就形成了铺满整个碳平面的大π 键，相当于可在整个平面内运动的自由电子，于是就能导电了。

鉴于以上原因，石墨在平行于平面层的方向，电导率与一般金属相似，而在垂直于平面层的方向，电阻竟增大了约 5000 倍。既然这样，有人就提出设想，能不能把石墨一层一层剥下来使用呢？

要知道，厚度为 1 毫米的石墨大约包含 300 万层单层片，怎么才能将其剥离呢？多年来，人们想尽办法，也没有得到过厚度少于 50 层的石墨片。2004 年，英国两位科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）找到了一种令人意想不到的方法，竟然真的得到了单层石墨片——石墨烯（见图 6-2）。他们用的工具极其简单——透明胶带！用胶带在石墨表面粘一下，就会有成千上万层石墨层片黏附在胶带上，再用另一条胶带把这个胶带粘一下，层数就会变成大约一半，再粘一下，又变成原来的一半厚，这样反复粘十几二十次，最后在胶带上居然真的就只剩下一层石墨——石墨烯就这么制出来了。随后 3 年内，他们在石墨烯体系中发现了量子霍尔效应。2010年，二人因石墨烯方面的开创性工作被授予诺贝尔物理学奖。有趣的是，海姆早在 2000 年就获得过“诺贝尔物理学奖”，不过是山寨版的——搞笑诺贝尔物理学奖，他因发明了“磁悬浮青蛙”而获得了这个奖项。海姆利用青蛙的逆磁性，让青蛙在强磁场里悬浮了起来，虽然看起来特别搞笑，但是却体现了海姆对物理学原理的深刻认识。

石墨烯只有一层原子厚，可以说是世界上最薄的材料，它的断裂强度是钢的 200 倍，拉伸幅度能达到自身尺寸的 20%，如果它能做成三维材料，将会是世界上最强的材料！但到目前为止，研究人员还很难将这种二维强度转化为三维。石墨烯的导电、导热性能也非常优异，其导热性是目前已知材料中最高的，而导电性能超过了铜，在电池、超级电容器、电子触屏、复合材料等方面有广阔的应用前景。2018 年，年仅 22岁的青年科学家曹原发现，当两层平行石墨烯以 1.1°的特定角度分层叠加时，就会产生神奇的超导效应。

用胶带粘来粘去显然不适合大规模生产，现在，石墨烯已经有了多种制备方法，如氧化还原法、气相沉积法等。此外，研究人员还开发出了新的单层碳材料——石墨炔，同样具有诱人的应用前景。