材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料技術(shù)的每一次進(jìn)步，幾乎都會(huì)推進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，甚至?xí)�促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)步與飛躍。時(shí)至今日，人們對(duì)材料的探索也從未停歇。
納米碳材料是過(guò)去三十年來(lái)材料科學(xué)領(lǐng)域重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其發(fā)現(xiàn)者已獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)，而目前人們對(duì)納米碳材料的探索熱度不減，甚至猶有過(guò)之。以碳納米管和石墨烯為代表的納米碳材料具有遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體硅材料的載流子遷移率、超高的熱導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)度，有望在未來(lái)半導(dǎo)體、微納電子、能源和輕質(zhì)高強(qiáng)材料等領(lǐng)域發(fā)揮核心作用，成為主導(dǎo)未來(lái)高科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略材料之一。發(fā)展具有中國(guó)標(biāo)簽的新型納米碳材料和新興納米碳材料產(chǎn)業(yè)是目前面臨的重要機(jī)遇。
人類歷史，上第.一次獲得的納米碳材料是以Co為代表的富勒烯。1985年，英國(guó)科學(xué)家Harold W. Kroto和美國(guó)科學(xué)家Robert F. Curl、Richard E. Smalley在美國(guó)萊斯大學(xué)首次制備出富勒烯，即Ca分子，并推測(cè)其類似于足球的中空籠子結(jié)構(gòu)，他們?yōu)槠淙∶�富勒�?Buckminster fullerene) ，以此向1967 年設(shè)計(jì)蒙特利爾世界博覽會(huì)短程線拱頂?shù)拿绹?guó)館建筑師RichardB.Fuller致敬。富勒烯也以足球烯巴基球等別稱聞名于世。富勒烯開(kāi)創(chuàng)了人類合成納米碳材料的先河，為人類打開(kāi)了納米碳材料世界的大門(mén)。1996年，三位科學(xué)家也因發(fā)現(xiàn)富勒烯榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)30多年的探索與發(fā)展，現(xiàn)在富勒烯被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料、潤(rùn)滑油、化妝品和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。
在富勒烯研究推動(dòng)下，1991年一種更加奇特的碳結(jié)構(gòu)碳納米管被日本電子公司(NEC)的Sumio lijima發(fā)現(xiàn)，兩年后，直徑為1 nm的單壁碳納米管也被正式報(bào)道。單壁碳納米管為中空的管狀結(jié)構(gòu)，管身由一系列六元碳環(huán)組成，管一端可以看作半個(gè)富勒烯結(jié)構(gòu)，多壁碳納米管則可看作由一系列單壁管同軸嵌套組成。觀察其結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以分為三種類型:軸對(duì)稱的鋸齒型(zigzag)、扶手椅型(armchair)和不具有軸對(duì)稱與反演中心的手性碳管。分析其成鍵，可以發(fā)現(xiàn)碳原子呈sp雜化，彼此成鍵，并且也具有離域共軛電子，這與石墨層內(nèi)原子排列和成鍵規(guī)律非常類似，因此碳納米管也是熱和電的良導(dǎo)體，并且其力學(xué)強(qiáng)度極高，單根碳納米管拉伸強(qiáng)度可達(dá)100 GPa。而由于其是一維管狀納米結(jié)構(gòu)，因此也有獨(dú)特的性質(zhì)，即呈現(xiàn)一維電子氣特性，碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)中存在范霍夫奇點(diǎn)，并且碳納米管也有金屬性與半導(dǎo)體性之分，若不特殊控制，隨機(jī)合成的單璧碳納
米管中半導(dǎo)體性碳納米管占2/3。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的遷移率高達(dá)105 cm2/(V·s)，遠(yuǎn)強(qiáng)于硅�；�于這種特性，人們非常期待碳納米管可以取代硅，作為下一代半導(dǎo)體的溝道材料。目前，5nm溝道寬度碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)成功制備；而在2019年，碳基微處理器RV16X- NANO被麻省理工學(xué)院(MIT)成功制造出來(lái)，其由14000多個(gè)碳納米管CMOS晶體管組成，可執(zhí)行32位指令�？梢哉f(shuō)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管及集成芯片一直是碳納米管受人們期待的應(yīng)用方向之一。除此之外，碳納米管還被期待應(yīng)用于導(dǎo)電薄膜、熱管理材料、增強(qiáng)劑等其他多種門(mén)類。目前，碳納米管產(chǎn)業(yè)化也已經(jīng)在逐步推進(jìn)，人們已經(jīng)可以獲取商品化的碳納米管，但是其撒手锏級(jí)應(yīng)用仍有待進(jìn)一步突破。
石墨烯是人類材料發(fā)展史上的又一里程碑式的發(fā)現(xiàn)。石墨烯是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家AndreGeim和KonstantinNovoselov于2004年通過(guò)石墨晶體機(jī)械剝離得到的。石墨烯的發(fā)現(xiàn)打破了朗道等人預(yù)言的二維晶體不會(huì)存在的規(guī)律，而利用膠帶等機(jī)械剝離范德瓦耳斯材料獲得較大面積的少層或單層二維材料的方法非常具有普適性，石墨烯本身與其被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程共同為人們推開(kāi)了二維材料世界的大門(mén)。六年之后，2010年，兩位科學(xué)家也因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是碳材料領(lǐng)域獲得的第二個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。石墨烯的結(jié)構(gòu)可以看作單層石墨，其成鍵方式與石墨完全相同，但是只有一個(gè)原子層厚度。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。石墨烯是已知強(qiáng)度高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa；石墨烯沒(méi)有帶隙，是典型的狄拉克材料，其能帶結(jié)構(gòu)中存在線性色散特性曲線，，遷移率達(dá)105 cm2/(V·s)；石墨烯的熱導(dǎo)率為5300W/(m·K)，是迄今為止導(dǎo)熱系數(shù)高的碳材料；石墨烯具有非常良好的光學(xué)特性，在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收率約為2.3%。目前石墨烯是納米碳材料領(lǐng)域熱門(mén)的研究?jī)?nèi)容之一，并且也已經(jīng)逐步推廣到產(chǎn)業(yè)界。學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界通力合作，已經(jīng)研發(fā)了許多產(chǎn)品，諸如石墨烯粉體、石墨烯薄膜、烯碳光纖、石墨烯玻璃等，不一而足。但是，與碳納米管類似，實(shí)現(xiàn)石墨烯撒手锏級(jí)應(yīng)用、制備生產(chǎn)拳頭產(chǎn)品，仍是目前行業(yè)內(nèi)共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。
石墨烯等材料的成功制備也鼓舞著人們進(jìn)一步去探索新型納米碳材料，特別是從碳的多樣雜化態(tài)入手，去開(kāi)發(fā)符合人們需要的新材料。實(shí)際上，早在1987年就有人沿著這一思路進(jìn)行過(guò)思考：著名理論科學(xué)家R. H. Baughman等首次提出了一種由sp2雜化碳原子共同構(gòu)成的二維碳材料，該結(jié)構(gòu)被認(rèn)為與其他以炔基結(jié)構(gòu)為主要骨架結(jié)構(gòu)的碳材料相比更穩(wěn)定，是有可能被人工合成的、非天然的碳同素異形體之一。而后，理論計(jì)算表明，石墨炔同樣具有十分優(yōu)異的電子學(xué)性質(zhì)，甚至在某些方面可能超過(guò)現(xiàn)有的石墨烯（這部分內(nèi)容將在文中詳細(xì)討論）。2010年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士團(tuán)隊(duì)首次以六炔基苯為前驅(qū)體，通過(guò)銅催化的分子間端炔偶聯(lián)反應(yīng)在銅箔表面成功制備了大面積的石墨炔薄膜，為石墨炔從理論研究向?qū)嶒?yàn)研究的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。許多納米碳材料，如碳納米管、石墨烯等均具有獨(dú)特的電子學(xué)性質(zhì)，石墨炔也不例外，甚至可以說(shuō)是具有吸引力的獨(dú)特性質(zhì)。對(duì)石墨炔電子學(xué)性質(zhì)研究的結(jié)果表明，具有六方對(duì)稱性的石墨炔的能帶結(jié)構(gòu)中也出現(xiàn)了狄拉克錐，并且石墨炔具有本征帶隙，是高遷移率的直接帶隙半導(dǎo)體，這意味著石墨炔在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用將非常有吸引力。另外，石墨炔含有共軛二炔鍵，使得材料在保持一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之余，還保持一定的化學(xué)活性，其為富電子體系，非常有研究?jī)r(jià)值。目前，石墨炔在能源、催化等領(lǐng)域正發(fā)揮著日益重要的作用。
我國(guó)對(duì)納米碳材料的研究已經(jīng)處于全球材料研究領(lǐng)域的第.一方陣，在材料制備、性質(zhì)和應(yīng)用的研究、產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)等方面，都處于世界一流水平。富勒烯是我國(guó)科學(xué)家較早關(guān)注的納米碳材料，目前其制備技術(shù)和性質(zhì)研究已經(jīng)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、疾病治療、量子材料等應(yīng)用領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王春儒研究員團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了富勒烯在腫瘤等重大疾病治療方面的應(yīng)用。在碳納米管研究領(lǐng)域，我國(guó)科學(xué)家在手性控制制備、納電子器件應(yīng)用、鋰電池導(dǎo)電漿料工業(yè)應(yīng)用等方面都取得了重大進(jìn)展，北京大學(xué)張錦院士和李彥教授分別實(shí)現(xiàn)了單一手性單壁碳納米管的可控制備，北京大學(xué)彭練矛院士實(shí)現(xiàn)了５nm單壁碳納米管CMOS器件，這些工作產(chǎn)生了重要的國(guó)際影響，發(fā)表在Nature、Science等期刊上；產(chǎn)業(yè)化方面，北京天奈科技有限公司建成了產(chǎn)能達(dá)1000噸／年的定向碳納米管生產(chǎn)線，并形成了萬(wàn)噸級(jí)動(dòng)力電池碳漿生產(chǎn)線，制定了碳納米管導(dǎo)電漿料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在石墨烯領(lǐng)域的研究已經(jīng)走在世界前列，北京大學(xué)劉忠范院士、彭海琳教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大面積超潔凈石墨烯薄膜的制備，展示了石墨烯玻璃等撒手锏級(jí)應(yīng)用；中國(guó)科學(xué)院金屬研究所成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于電解水的氧化石墨烯的連續(xù)化規(guī)模制備方法，并通過(guò)專利轉(zhuǎn)讓，成立深圳烯材科技有限公司。石墨炔是具有中國(guó)標(biāo)簽的新型納米碳材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士團(tuán)隊(duì)于2010年首次成功制備，目前我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從石墨炔的結(jié)構(gòu)控制制備到能源和催化應(yīng)用等方面的重要突破。
制備決定未來(lái)，納米碳材料的發(fā)展應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)可控制備，發(fā)展放量制備及產(chǎn)業(yè)化裝備研制等核心技術(shù)，明確納米碳材料的市場(chǎng)需求，建立并規(guī)范材料的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步開(kāi)拓納米碳材料的撒手锏級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域。
本書(shū)就是在以上這個(gè)背景下組織編寫(xiě)的，其內(nèi)容涵蓋目前納米碳材料的四大領(lǐng)域，按照發(fā)現(xiàn)的時(shí)間順序，分為四部分，系統(tǒng)討論了富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)。在編撰時(shí)力爭(zhēng)做到系統(tǒng)性、專業(yè)性和即時(shí)性，本書(shū)可供不同層次的讀者參考使用，并衷心希望廣大讀者朋友能開(kāi)卷有益，對(duì)行業(yè)的研究工作也有益處。本書(shū)中，富勒烯部分由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王春儒研究員、王太山研究員、甄明明、蔣禮、李杰共同完成，盧羽茜和張捷參與了文獻(xiàn)整理；碳納米管部分由北京大學(xué)張錦院士編寫(xiě)，北京大學(xué)于躍、劉偉銘、孫丹萍、林德武、錢(qián)柳、張樹(shù)辰和焦琨參與了資料的收集和整理，其中林德武負(fù)責(zé)了整章的修訂工作；石墨烯部分由北京大學(xué)彭海琳教授編撰，馬子騰、王可心、劉曉婷、孫祿釗、李楊立志、楊皓、張金燦、陳恒、竺葉澍、鄭黎明、賈開(kāi)誠(chéng)和唐際琳參與了資料的收集和整理，其中賈開(kāi)誠(chéng)負(fù)責(zé)了整章的修訂工作；石墨炔部分由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士、李勇軍和劉輝彪研究員共同完成。本書(shū)的編者長(zhǎng)期工作于納米碳材料科研一線，在百忙中抽出寶貴時(shí)間傾力參與并出色完成了本書(shū)的編撰工作，對(duì)各位作者的付出，筆者在此深表謝意。 華東理工大學(xué)出版社的朋友們?yōu)楸緯?shū)投入了大量的心血，在此一并感謝！
納米碳材料的研究紛繁復(fù)雜，受限于時(shí)間、水平等因素，本書(shū)難免存在諸多不足和謬誤，懇請(qǐng)廣大讀者朋友批評(píng)指正。