原子|这都可以？科学家用碳原子把“积木”搭得出神入化( 二 )
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图 | C60结构 来源：c60purplepower.com
此外还有其他形式的富勒烯 。
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C60由20个六元环和12个五元环组成 ， 组成了二十面体对称封闭的笼型结构 。 虽然说富勒烯是石墨烯团成的球形结构但是C60中由于五元环的存在 ， 在五元环的部位倾向于吸电子 ， 够对富勒烯进行多种加工 ， 形成功能化的富勒烯 ， 可以运用于催化、光学、储能等领域 。
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图 | 不同功能化的C60 来源：sciencedirect.com
要是说零维材料 ， 那纳米碳点也应该拥有姓名 ， 这类材料实际上就是将大面积的石墨烯或者碳纳米管和金刚石等 ， 分散成一种类球状的颗粒 ， 这类材料具有非常独特的光学性能 。
在一维层面 ， 最有代表性的就是碳纳米管了 ， 前几年小编听人们对碳纳米管获得诺贝尔奖的呼声也很高 ， 主要就是因为碳纳米管有很好的机械性能、导电性、耐热性 ， 在传感器、储氢、电化学等领域都有很广的用途 。 它是1991年由日本Iijima博士发现的 。
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图 | 多壁碳纳米管 来源：网络
碳纳米管的确和石墨烯的结构挺像的 ， 管壁上都是六元环 。 实际上碳纳米管就是石墨烯卷一卷 ， 有时候还会多层碳纳米管套娃在一起 。 电子能够在管壁上移动的非常快 ， 纳米管兼具金刚石的硬度和良好的柔 ， 但是与石墨烯不同的是只能在管径方向上有很高的电子电导率性 。
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图 | 石墨烯结构示意图 来源：cas.cn
到了二维的层面 ， 碳原子这块积木就更多变了 ， 首先就是最具代表性的石墨烯 。 2004年英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）发现了石墨烯 ， 没等几年 ， 在2010年反手就拿了个诺贝尔物理学奖 。
石墨烯结构中 ， 电子可以在石墨烯上进行远距离的移动 ， 具有良好的机械性能 ， 导电性和导热性等 。 石墨烯在我们铅笔里面存在的形式就是石墨 ， 通常情况下单层石墨烯是不太容易制得的 ， 拿个胶带过来粘一粘铅笔芯 ， 顶多获得是多层石墨烯 ， 要是有谁说这样能获得大量单层石墨烯 ， 你就一巴掌拍死他 。
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图 | 拿胶带制备石墨烯 来源：graphene.ac.rs
还有石墨炔 ， 石墨炔的结构中相比之前介绍的材料 ， 多了一类sp杂化的碳原子 ， 也就是这类碳原子只有两只拉其他原子的手 ， 呈直线形排列 ， 这类碳原子链接起来就叫炔键 。 石墨炔则是由苯环和炔键连接在一起形成的 ， 区别就在于 ， 有的苯环之间是两个炔键（石墨二炔） ， 有的是一个炔键（石墨一炔） ， 当然有的还有更多的炔键 。 2010年首次由李玉良院士合成出来 。
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这种二维碳材料具有半导体的性质 ， 也有很高的硬度和韧性 ， 能够在太阳能电池 ， 电化学传感器储能等方面有应用 。
除了以上的这些二维碳材料 ， 还可以从石墨烯中衍生出来更多的二维碳材料 。 他们共同的特点就是都含有环类结构 ， 碳原子是以有三只手的sp2和有两只手的sp杂化方式排列的 。
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图 | 其他的二维碳材料（为了避免科学性问题 ， 小编就不翻译了 ， 其实是懒 ） 来源：springer.com
最后再说到三维上 ， 那碳原子就能伸出四只手了（sp3杂化） ， 那最有代表性的就是金刚石和石墨了 。 金刚石（钻石）具有碳材料中最高的硬度 ， 里面的碳原子手拉手就可以形成规则的晶体结构 。
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图 | 金刚石结构
而石墨也是很常见的材料 ， 是铅笔芯的主要成分 ， 它是由石墨烯一层一层按照特定位置 ， 堆叠起来的三维结构 ， 层与层之间是范德华力 。 所以在层与层之间可以很轻松的相对滑动 ， 通常还用做润滑剂 ， 小编家里面要是钥匙和锁之间配合的不太顺畅的时候 ， 就会灌点铅笔芯粉末 ， 保证丝滑 。
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