元素简史简介：元素家族连载16

我们已经谈了碳单质的几种形态，其实就是碳的几种同素异形体，这在我们高中的时候都学过。你可能觉得，碳应该谈完了吧，其实不然，越来越多的碳的同素异形体被发现，而且都逐步走上了不同的舞台。

为了更好的让大家能看明白后面的内容，首先我们代表你们的化学老师帮你们复习一下高中化学。

这是金刚石（钻石）的结构，结构非常坚固，宏观上来说，硬度很大

这是石墨的结构，层与层之间依靠范德华力结合，这是很弱的分子间作用力，因此石墨很软。

如果是这个样子呢？

早在上世纪70年代，就有人提出60个碳原子可以以足球的方式组成一个分子的想法。1985年下面这三位科学家在氦气流中用激光汽化蒸发石墨，得到了C60分子，而且证明这个分子是球状结构，足球烯终于被找到了。这不是魔法，而是真实的科学！

1996年诺贝尔化学奖三位获得者

足球烯又称"富勒烯"，来自于美国建筑师巴克敏斯特·富勒，他在1967年蒙特利尔世博会上设计了球形美国馆，如图。诺贝尔奖获得者们为了表达对这位建筑师的敬意，以他的名字来命名足球烯。也叫"巴基球"，"巴基"是他名字"巴克敏斯特"的昵称。

后来，科学家们发现C60只是碳的笼状结构系列的一个例子，接下来，又出现了C70，C240，C540等，如下图，这简直是一个小家庭了。

各种各样的富勒烯兄弟们

足球烯是被造出来了，但是它是否只适合做一个花瓶，供大家玩赏呢？因为我们也不可能把人类微缩到纳米级别，去用足球烯来踢世界杯的。

你还别说，还真有人用足球烯当足球踢的，只不过他们希望这种迷你足球能帮助他们证明一些原理。

C60算是比较大的分子了，这样的分子会不会表现出量子力学的波粒二象性呢？这是物理学家很感兴趣的问题。1999年，维也纳大学的科研工作者用C60分子做简单的双缝干涉实验，结果表明，足球烯分子通过双缝之后出现了干涉条纹，表现出明显的波粒二象性。世界是量子的，不是经典的！

C60还有一个非常奇异的个性，它在光照下会将氧分子分解成原子氧，这是一种强氧化剂，如果将C60加入化妆品，它会将外来的刺激物（自由基等）氧化，保护皮肤不受外来刺激。

C60已经开始被掺入护肤品当中

既然如此，C60当然会被药物学家盯上。研究抗癌药物的专家们正试图让C60随着一些定向药物进入癌细胞，用原子态氧杀死癌细胞。真心希望这项研究能够早日成功，抗击癌症，时不我待啊！

用富勒烯杀死癌细胞的机理

碳纳米管也属于富勒烯的家族，不同之处在于它的两端是连通的，而不是像富勒烯的闭合笼状结构，因此在它两端存在缺陷，这一点决定了它的很多性质。

碳纳米管的构造

碳纳米管和环氧树脂有天然的亲和力，将碳纳米管加入环氧树脂，可以改善环氧树脂的很多性能。在风电叶片复合材料里，碳纳米管的性能比碳纤维还要优异。使用碳纳米管-环氧树脂复合材料的游艇，可以降低自重。将掺入碳纳米管的环氧涂料涂在舰艇、飞机表面，可以吸收无线电波，达到雷达屏蔽、隐形的功能。

碳纳米管没有风光太多年，它的风头就被自己的小兄弟盖过了，这个小兄弟就是石墨烯，它是目前最受科学技术工作者关注的希望之星！有人预言，它将彻底改变21世纪！身为一个化学人，在圈子内你要是没听说过石墨烯，你都不好意思跟别人打招呼。

还记得石墨吗，那是一个多层结构。很早之前就有人想，有没有可能得到其中的一层作为我们的材料呢？对，只要一层！

单层的石墨就是石墨烯。之前，理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯竟然在实验中被制备出来，而且是用很平庸的方法，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。

安德烈·盖姆&康斯坦丁·诺沃肖罗夫，因为发现石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖。其实他们的方法简单的让人难以置信，就是用一根透明胶带粘在石墨上，然后撕下来，就获得了单原子厚度的石墨烯。在科学的领域里，就是要敢想敢做，诺奖其实没什么遥远的！

二位就是用这个简单的东东得到了最早的石墨烯

石墨烯与富勒烯、碳纳米管和石墨（碳纤维）的结构其实是类似的，因此相对于他们来说，另外三兄弟能干的事情，比如风电叶片、触摸屏等，石墨烯也能干，而且能干的更好，我们就不多提了。

富勒烯（零维）、碳纳米管（一维）、石墨烯（二维）、石墨（三维）其实都是弟兄，这张图很好的解释了他们之间的关系。

让我们看看石墨烯都有可能在哪些方面改变我们未来的生活吧：

未来，石墨烯可以让我们的手机以后变成这样，你相信嘛？

前面介绍锂电池的时候我们提到了锂的好处，但是现在的情况仍然让贪婪的人们不满足。未来的石墨烯电池可以保证我们的手机一分钟充满电，而且不会发烫；可以让我们的电动汽车十分钟充好，然后驾驶1000公里以上。未来的生活，想想就刺激啊！

太空电梯，未来的奇迹！只有超高强度的材料才能做成如此壮举！如今火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需2万美元，而未来的太空天梯运送每公斤物品仅需10美元。太空旅行，不再是梦！

摩尔定律进入21世纪似乎失效了，原因在于：电子在晶体硅中的速度是有极限的。石墨烯因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，电子在其中的运动速度可以达到光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯晶体管做成的计算机运算速度理论上可以超过传统计算机的1000倍，不要等传说中的"量子计算机"了，先把石墨烯晶体管用上吧！

石墨烯发展前列的几个国家：美国、日本、中国、西班牙。中国加油！

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