【科研前沿】石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世

石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世
2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自1991年被发现至今近20年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。
石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图1）。作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。目前，关于碳纳米管的研究，无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。组成及结构上的紧密联系，使二者在研究方法上具有许多相通之处。事实上，很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。


图1 石墨烯与碳纳米管



石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构主要有三种：石墨、金刚石和富勒烯（以C60为代表[2]）。当时，对于碳纤维（已工业化应用）和碳纳米纤维都已经有了很充分的研究；在碳纳米管被发现[3]之后，人们开始关注碳纳米管与碳纳米纤维之间的异同。从表面上看，在晶体结构上，碳纳米纤维的晶化程度相对较差，缺陷较多，石墨层片排列不连续，直径较大，并不真正属于碳的晶体结构，或者仅算是石墨的一种衍生物。如果单从这一点来看，碳纳米管的出现似乎仅是碳纳米纤维的一个延伸。因此，很有一些人并不把碳纳米管的发现归功于Sumio Iijima。事实上，碳纳米管的发现意义体现在人类观念的更新，标志着对碳晶体结构（甚至整个碳范式）有了更为深入的认识，是本质上迈进的一大步。尤其是单壁碳纳米管、双壁和薄壁碳纳米管的可控合成为充分认识碳纳米管的性能奠定了坚实的实验基础。值得一提的是，一些制备碳纳米管的方法大都借鉴自碳纳米纤维（如化学气相沉积法）。在一些早期研究中，对碳纳米纤维和碳纳米管的区分并不十分严格。对比石墨烯与碳纳米管（图2），可显见类似的发展轨迹。在石墨烯在实验上被发现之前，一些微小石墨晶粒、晶须或石墨层片（层数较多）就已经被合成出来并被广泛研究。膨胀石墨也是基于剥离石墨的理念，相关技术发展纯熟，工业化应用已久。同单壁、双壁、薄壁碳纳米管之间的关系类似，除了严格意义上的石墨烯(单层)外，双层和少数层石墨层片在结构和性能上也都明显区别于块体石墨，在广义上也被归为石墨烯的范畴。


图2 石墨烯与碳纳米管的发展历程



虽然石墨烯与碳纳米管有着类似的前生，却很可能拥有不一样的未来。原因有多方面，但最终可归结为一维材料与二维材料之争。纳米线、纳米管在同薄膜材料的较量中往往处于劣势。以碳纳米管为例，单根碳纳米管可被视作一根具有高长径比的单晶，但目前的合成和组装技术还无法获得具有宏观尺寸的碳纳米管晶体（将在后文中详述），从而限制了碳纳米管的应用。石墨烯的优势在于本身即为二维晶体结构，可实现大面积连续生长，将Bottom-up和Top-down结合起来，未来应用前景光明。另外，石墨烯更受物理学家的青睐，是进行科学实验、解决科学问题的理想平台，这也是促成其本次获奖的主要因素。碳纳米管地位尴尬，不可能给物理奖，给个化学奖也不太像，何况已有C60在先。
后注：石墨烯作为石墨（及后来的碳纳米管）的基本结构单元在理论上已被研究长达60余年[4]。在Geim和Novoselov的工作之前，薄层石墨已有多处报道。例如，Columbia University的Philip Kim[5]和University of Texas at Austin的Rodney Rouff[6]（当时在Washington University）都曾对石墨剥离薄层石墨片进行过研究，很可惜未得到单层石墨烯。
参考文献：
[1] K. S. Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666.
[2] H. W. Kroto, et al. Nature, 1985, 318, 162.
[3] S. Iijima. Nature, 1991, 354, 56.
[4] P. R. Wallace. Physical Review, 1947, 71, 622.
[5] A. K. Geim, P. Kim. Scientific American, 2008, 4, 90.
[6] X. K. Lu, et al. Nanotechnology, 1999, 10, 269; Applied Physics Letters, 1999, 75, 193.