第1章 了解石墨烯

身份

顾名思义，“石墨烯”与“石墨”是有渊源的。简单说，石墨烯是单层石墨层片，是构成石墨的基本结构单元。如果把石墨比作一本书，石墨烯就是其中的一页。

碳的同素异形体

石墨烯是碳的一种同素异形体

在解读“石墨烯”之前，先来看看碳有哪些同素异形体，石墨烯和这些同素异形体之间又有什么关系？

碳是自然万物的重要组成部分，也是构成生命有机体的重要元素。同素异形体是指由单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。在碳的同素异形体中，石墨和金刚石是典型代表，它们拥有相同的“质”——都由碳元素组成，但“形”或“性”有着天壤之别。

提到金刚石，可能会想到光彩夺目、闪烁耀眼的精美饰品，以及它昂贵的价格；提到石墨，可能会想到黑乎乎、滑腻腻的碳棒。纯净的金刚石是无色透明的正八面体状固体，而石墨则是深灰色、有金属光泽却不透明的细鳞片状固体。相比于金刚石，石墨要柔软得多，在纸上涂写可留下黑黑的痕迹（见图1-1）。

20世纪80年代，纳米材料科学与技术得到了极大的发展，纳米碳材料登上舞台。1985年，三位科学家发现了一种由60个碳原子构成的类似“足球”的碳分子——C60。随后，C70、C86等大分子相继出现，组成碳家族一大类新成员——富勒烯。C60的三位发现者于1996年获得了诺贝尔化学奖。

1991年，由石墨层片卷曲而成的碳的一维结构——碳纳米管被发现，它的发现者饭岛澄男（Sumio Iijima）于2008年获得卡弗里奖。在石墨烯被发现之前，碳的同素异形体主要包括石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管。碳家族之所以如此丰富，是因为碳元素具有极强的成键能力，在化学反应中表现出极丰富的成键形态，包括零维（富勒烯）、一维（碳纳米管）、二维（石墨烯）、三维（金刚石、石墨），以及众多已被发现但结构未知的同素异形体和尚未被发现的潜在的同素异形体（见图1-2）。

提示与启发

还有哪些碳的同素异形体？

拓展知识

石墨烯在地球上具有丰富的储量吗？

碳家族的新成员

石墨烯是一种二维材料

石墨烯是由碳原子紧密排列成苯环结构而形成的单原子层结构，如同一个尺寸无限大的芳香族分子。从石墨到石墨烯，是一个由“量变到质变”的转变过程。石墨烯是石墨在厚度上减小至极限的状态（见图1-3），但不能将石墨烯简单地理解为“被剪薄的石墨”。对比石墨烯的英文名称（Graphene）和富勒烯的英文名称（Fullerene），会发现这两者都带有后缀“-ene”，这个后缀在化学上用于有机化学中“烯”的命名，说明石墨烯与烯类分子存在一定联系。但也不能将石墨烯看作“有机大分子”，因为石墨是无机材料。

石墨烯是一种二维材料，也就是说它在平面空间内可以无限延展，而在与平面垂直的方向上仅有一个原子厚。石墨烯的出现使碳的同素异形体呈现点、线、面、体（从零维到三维）的丰富形态。换句话说，以石墨烯为原料，经多样化的排列、造型，可形成多种维度、不同结构的碳材料。其实，石墨烯是除金刚石外所有碳晶体[1]的基本结构单元。完美的石墨烯仅包括六边形单元，是十分稳定的。如图1-4所示，石墨烯可以团聚成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆叠形成三维的石墨，因此可以说石墨烯是构建其他维度碳材料的基本单元。甚至具有非晶结构的活性炭，也可以看作由无数细小的石墨烯层片堆叠而成的。

早在1995年，国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）就将这种单原子层石墨正式命名为“石墨烯”。通过高倍电子显微镜观察，可以看到石墨烯薄片相互折叠在一起（见图1-5）。

提示与启发

理解维度的概念：零维、一维、二维、三维的含义。

拓展知识

石墨烯、富勒烯、碳纳米管在结构上有什么异同？