■ 什么是碳晶
碳属于非金属元素,碳是自然界中分布很广的元素之一,在地壳中的含量约0.027%。
碳的存在形式是多种多样的:
①有晶态单质碳如金刚石、石墨;
②有无定形碳如煤;
③有复杂的有机化合物如动植物等;碳酸盐如大理石等。
晶态单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同,各有各的外观、密度、熔点等。
常温下晶态单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂……,在工业高科技上和医药高科技上,碳晶和它的化合物用途极为广泛。
截止1998年底,在全球最大的化学文摘——美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种,其中绝大多数是碳的化合物。
众所周知,生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长,演变成为蛋白质和核酸;然后演化出原始的单细胞,又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩、直至人类。这三四十亿年的生命交响乐,它的主旋律是碳的化学演变。可以说,没有碳,就没有生命。碳,是生命世界的栋梁之材。
1991年,霍夫曼(Donald Huffman)和克雷许梅( Wolfgang Krätschmer)以电弧放电法高温加热石墨棒,从炭灰中分离出大量的碳六十,还有相关的碳簇(carbon clusters)分子如C70、C84、C120…等,统称为富乐烯(fullerenes),从此碳的同素异形体(allotrope)就不限于金刚石、石墨。
1991年日本NEC的饭岛澄男(Sumio Ijima)也用电弧放电制造C60,在炭灰中发现了多层结构的奈米碳管(multi-walled carbon nanotubes,简写成mwnt),随后饭岛与IBM的白颂(D. Bethune)各自独立制造出单层结构的奈米碳管(single-walled carbon nanotubes,简写成swnt)。 顾名思义,奈米碳管就是由碳原子构成的中空碳管,就像是石墨层卷成管子,正是理想的奈米单元建材。早在1940年代,电气炉边就曾发现有直径达数奈米至数微米的细碳丝,但数量非常少,当时没有被重视。紧随着奈米碳管的发现,奈米科技时代揭开序幕。