第1章 了解石墨烯

身份

顧名思義，“石墨烯”與“石墨”是有淵源的。簡單說，石墨烯是單層石墨層片，是構成石墨的基本結構單元。如果把石墨比作一本書，石墨烯就是其中的一頁。

碳的同素異形體

石墨烯是碳的一種同素異形體

在解讀“石墨烯”之前，先來看看碳有哪些同素異形體，石墨烯和這些同素異形體之間又有什么關系？

碳是自然萬物的重要組成部分，也是構成生命有機體的重要元素。同素異形體是指由單一化學元素組成，因排列方式不同，而具有不同性質的單質。在碳的同素異形體中，石墨和金剛石是典型代表，它們擁有相同的“質”——都由碳元素組成，但“形”或“性”有著天壤之別。

提到金剛石，可能會想到光彩奪目、閃爍耀眼的精美飾品，以及它昂貴的價格；提到石墨，可能會想到黑乎乎、滑膩膩的碳棒。純凈的金剛石是無色透明的正八面體狀固體，而石墨則是深灰色、有金屬光澤卻不透明的細鱗片狀固體。相比于金剛石，石墨要柔軟得多，在紙上涂寫可留下黑黑的痕跡（見圖1-1）。

20世紀80年代，納米材料科學與技術得到了極大的發展，納米碳材料登上舞臺。1985年，三位科學家發現了一種由60個碳原子構成的類似“足球”的碳分子——C60。隨后，C70、C86等大分子相繼出現，組成碳家族一大類新成員——富勒烯。C60的三位發現者于1996年獲得了諾貝爾化學獎。

1991年，由石墨層片卷曲而成的碳的一維結構——碳納米管被發現，它的發現者飯島澄男（Sumio Iijima）于2008年獲得卡弗里獎。在石墨烯被發現之前，碳的同素異形體主要包括石墨、金剛石、富勒烯和碳納米管。碳家族之所以如此豐富，是因為碳元素具有極強的成鍵能力，在化學反應中表現出極豐富的成鍵形態，包括零維（富勒烯）、一維（碳納米管）、二維（石墨烯）、三維（金剛石、石墨），以及眾多已被發現但結構未知的同素異形體和尚未被發現的潛在的同素異形體（見圖1-2）。

提示與啟發

還有哪些碳的同素異形體？

拓展知識

石墨烯在地球上具有豐富的儲量嗎？

碳家族的新成員

石墨烯是一種二維材料

石墨烯是由碳原子緊密排列成苯環結構而形成的單原子層結構，如同一個尺寸無限大的芳香族分子。從石墨到石墨烯，是一個由“量變到質變”的轉變過程。石墨烯是石墨在厚度上減小至極限的狀態（見圖1-3），但不能將石墨烯簡單地理解為“被剪薄的石墨”。對比石墨烯的英文名稱（Graphene）和富勒烯的英文名稱（Fullerene），會發現這兩者都帶有后綴“-ene”，這個后綴在化學上用于有機化學中“烯”的命名，說明石墨烯與烯類分子存在一定聯系。但也不能將石墨烯看作“有機大分子”，因為石墨是無機材料。

石墨烯是一種二維材料，也就是說它在平面空間內可以無限延展，而在與平面垂直的方向上僅有一個原子厚。石墨烯的出現使碳的同素異形體呈現點、線、面、體（從零維到三維）的豐富形態。換句話說，以石墨烯為原料，經多樣化的排列、造型，可形成多種維度、不同結構的碳材料。其實，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體[1]的基本結構單元。完美的石墨烯僅包括六邊形單元，是十分穩定的。如圖1-4所示，石墨烯可以團聚成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊形成三維的石墨，因此可以說石墨烯是構建其他維度碳材料的基本單元。甚至具有非晶結構的活性炭，也可以看作由無數細小的石墨烯層片堆疊而成的。

早在1995年，國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）就將這種單原子層石墨正式命名為“石墨烯”。通過高倍電子顯微鏡觀察，可以看到石墨烯薄片相互折疊在一起（見圖1-5）。

提示與啟發

理解維度的概念：零維、一維、二維、三維的含義。

拓展知識

石墨烯、富勒烯、碳納米管在結構上有什么異同？