![]()
精選優(yōu)質(zhì)文章分享給大家，希望文章內(nèi)容對您有所幫助，歡迎您繼續(xù)關(guān)注，如能轉(zhuǎn)發(fā)不勝感激，我們愿和大家一起學(xué)習(xí)交流，共同提高。
上一篇文章回顧：化學(xué)是什么？-第6章 化學(xué)是材料的研制者（1）
玻璃是人們最熟悉的無機(jī)非金屬材料之一。嬰兒剛一出生，就用玻璃奶瓶喝奶，住在有玻璃門窗的房子里。待其長大上中學(xué)，進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，會接觸到燒杯、燒瓶等玻璃儀器。有人眼睛近視得早，戴上用玻璃制作的近視眼鏡學(xué)習(xí)，到老了還得戴玻璃制作的老花眼鏡。![]()
什么是玻璃？玻璃是將所制作的材料配料、加熱熔融、冷卻，使它黏度逐漸變大、不析晶，在室溫下仍保持熔體結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)。玻璃有下列共性：（1）沒有固定的熔點(diǎn)。從熔融狀態(tài)到固體狀態(tài)是連續(xù)變化的過程。（2）各向同性。其透光性、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能等都是各向同性的，不隨方向的改變而變化。（3）沒有晶界和粒界，除良好的氣密性外，光線散射很少，是透明的。（4）無固定形態(tài)。可制成薄膜、纖維、塊體或微珠等。（5）性能遵循其組成的加和性。玻璃的許多性質(zhì)可通過調(diào)整成分及表面處理等工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。習(xí)慣上，人們把能大規(guī)模生產(chǎn)的平板玻璃、器皿玻璃、電真空玻璃和光學(xué)玻璃稱作普通玻璃。把二氧化硅含量在85％以上或55％以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃和非氧化物玻璃等稱為特種玻璃。新型玻璃包括特種玻璃在內(nèi)的新功能材料，已成為新技術(shù)和新興工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。下面在諸多的新型玻璃材料中選列一些實(shí)例。
![]()
光導(dǎo)玻璃纖維是一種能導(dǎo)光、傳像的玻璃纖維，又稱光學(xué)纖維，簡稱光纖。它具有傳光效率高、信息傳遞量大、分辨率高、速度快、抗干擾、耐腐蝕、質(zhì)量輕、可彎曲、保密性好、節(jié)省金屬資源、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在的通信包括電子信息、電話等都使用光纖。光纖不僅用于市區(qū)電話，還用于跨國、跨洋的通信。
光通信纖維中的石英玻璃纖維，其化學(xué)成分是高純度的二氧化硅（SiO2），將它熔融拉成直徑幾十微米的纖維，稱為纖芯，纖芯折射率1.463～1.467。纖芯外包一直徑約100微米（μm，10-6米）、折射率較低的玻璃材料，包層折射率約為1.45。為了保護(hù)光纖，包層外還覆蓋保護(hù)層。
二氧化硅內(nèi)芯具有高折射率，包層為低折射率，使光在內(nèi)芯和包層的界面上發(fā)生全反射。在內(nèi)芯傳導(dǎo)的光幾乎全部被封閉在纖芯，經(jīng)過無數(shù)次全反射而呈鋸齒形向前傳播。
光纖通信的興起，其基礎(chǔ)在化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，制出高純度的纖芯。大規(guī)模生產(chǎn)的普通玻璃，一般其中都含有少量過渡金屬元素，如鐵、錳等。這種玻璃呈淺藍(lán)色，當(dāng)將十幾塊玻璃板疊在一起，或從側(cè)面斷口觀看，藍(lán)色就非常明顯地出現(xiàn)。這種普通玻璃透光距離只有幾米。藍(lán)色海洋中的海水，透光距離也只有百米量級。近二三十年來，化學(xué)家以其智慧，將石英玻璃纖維中的有害雜質(zhì)清除得干干凈凈，制成光傳輸損耗極低的纖芯。
如今，石英光纖網(wǎng)絡(luò)中光纖總長度已超過1×109千米，可環(huán)繞地球2.5萬圈，并仍持續(xù)不斷地增加。人們贊嘆科學(xué)家們把沙子變成光纖，又從光纖建造成信息高速公路，發(fā)展起覆蓋全球的電話和電視，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)上購物等將整個(gè)社會融合在一起的生活方式。![]()
高錕，1933年出生于上海，他是光纖通信領(lǐng)域的先驅(qū)，20世紀(jì)60年代，光通信剛興起之時(shí)，他就從事降低玻璃纖維的光損耗的研究，提出必須除去玻璃中的雜質(zhì)，計(jì)算出光在高純石英光纖中傳輸距離可以達(dá)到100千米以上。激發(fā)了許多研究人員的信心和理念，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)超低損耗光纖的問世和光纖通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，他為光纖技術(shù)的發(fā)展指明了正確的方向。2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予為光通信建立功勛的三位科學(xué)家，其中一半獎(jiǎng)金授予高錕，另一半由博伊爾（W．S．Boyle，1924—）和史密斯（G．E．Smith，1930—）分享。
![]()
近二三十年來，我國農(nóng)村和城市的面貌煥然一新。新蓋的房屋和新修的道路引人注目。玻璃在建筑中的用量迅速增長，成為繼水泥、鋼材之后的第三大建筑材料。隨著科技的發(fā)展和人民生活水平提高，建筑用的玻璃的功能不再僅僅是滿足采光要求，還希望有新的功能，如節(jié)能、安全、隔音等。以節(jié)能的新型玻璃為例，化學(xué)可起很大的作用。
在玻璃原料的配制上，添加鐵、鈷、鎳、銅和硒等元素的氧化物，控制熔融制備時(shí)的氣氛，可制得呈現(xiàn)藍(lán)、灰或茶色等色調(diào)的玻璃，這種玻璃具有既能透過可見光，又能吸收紅外輻射，阻止一些熱輻射透過的功能，還能改善采光色調(diào)。對熱帶地區(qū)和夏天節(jié)約空調(diào)的電能起很大作用。在玻璃表面形成熱反射涂層，該層的化學(xué)成分可選金、銀、銅、鉻和鋁等氧化物。一般太陽熱輻射的反射率可達(dá)30％～50％，起到節(jié)能和裝飾的效果。制作雙層或多層玻璃，層間保持一定距離，內(nèi)充干燥空氣或惰性氣體，并放置吸濕劑，周邊用膠密封。化學(xué)家制得的這種密封膠要具有和玻璃的膠著能力強(qiáng)、干燥固化后密封性好、經(jīng)久不變等性能。這種多層中空玻璃，隔熱保溫、隔音等性能都很好。纖維增強(qiáng)復(fù)合玻璃是用陶瓷纖維、碳纖維或碳化硅晶須等作增強(qiáng)劑，在玻璃熔融時(shí)復(fù)合制得。具高韌性、抗沖擊、不易碎裂等一系列優(yōu)點(diǎn)，可提高建筑的安全性。這種玻璃還可用在許多新技術(shù)中。
![]()
在玻璃中添加鹵化銀等膠體顆粒的光敏劑，可使玻璃受到光照射時(shí)會變暗或著色，阻止光的照射，又能恢復(fù)到原來的透明狀態(tài)，已廣泛用作變色眼鏡，在建筑業(yè)和汽車業(yè)中用作具有吸熱作用的玻璃和單面透視的玻璃。
![]()
在玻璃中添加電致變色氧化物或在玻璃表面涂敷具有變色性的非晶態(tài)膜形成的玻璃，在可調(diào)控的低壓電源作用下，可使玻璃具有透光度在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)、多色連續(xù)變化等特點(diǎn)。由于電源簡單、省電、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用作建筑物的門窗、飛機(jī)和汽車等的擋風(fēng)玻璃，達(dá)到單面透視、節(jié)能和裝飾等效果。還可用作大面積數(shù)字、文字和圖像顯示的屏幕。
![]()
陶瓷是指由陶土或瓷土等硅酸鹽，經(jīng)過成型燒結(jié)，部分熔融成玻璃態(tài)，通過它將微小的石英和其他氧化物晶體包裹結(jié)合在一起形成的材料。它是含有玻璃相和結(jié)晶相的復(fù)合物質(zhì)。
（1）陶器用陶土燒制，呈黃褐色，較粗糙；瓷器以瓷土即高嶺土燒制，一般顏色潔白光滑。（2）陶器燒成溫度較低，約700～800℃，有較多孔隙和較強(qiáng)吸水性，叩之發(fā)聲沉悶；瓷器需經(jīng)1300℃以上高溫?zé)桑旅軋?jiān)硬，吸水率低，叩之發(fā)聲清脆。（3）陶器一般不施釉；瓷器表面施釉，能防止污染物黏附。精密陶瓷或新型陶瓷材料在化學(xué)成分、燒制工藝上都和傳統(tǒng)陶瓷不同，因而使它具有獨(dú)特的性能。在化學(xué)成分上，除硅酸鹽外，還包括其他金屬化合物，如氧化鋁、氧化鋯、稀土氧化物、氧化鈦及氮化物、碳化物和硼化物等人工合成的高純超細(xì)粉，使它具有精確的配料。燒制工藝是在嚴(yán)格控制的條件下進(jìn)行成型、燒結(jié)和處理，制成具有特定的相組成和顯微結(jié)構(gòu)的無機(jī)復(fù)合材料。下面簡單介紹其中幾種特殊的陶瓷材料。
傳統(tǒng)陶瓷最明顯的一種特性是它具有絕緣性，利用它的這種對電流絕緣和耐熱的性質(zhì)，在日用電器中用陶瓷燒制成小瓷管、電插座和小瓷墊使用，在變電站和傳送電能的輸電鐵塔都用大的絕緣瓷管使電線處在瓷絕緣體的保護(hù)之中。
20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)氧化物超導(dǎo)體，它的成分、出現(xiàn)超導(dǎo)的臨界溫度（Tc）和發(fā)現(xiàn)年代如下：![]()
其中Tc達(dá)90 K以上的Y-Ba-Cu-O系和Tl-Ba-Ca-Cu-O系、Bi-Sr-Ca-Cu-O系的超導(dǎo)陶瓷具有液氮區(qū)的超導(dǎo)性，開辟了超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的廣闊前景。對超導(dǎo)陶瓷的配料、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用在世界范圍蓬勃發(fā)展，其中許多關(guān)鍵性的工作，需要化學(xué)家的配合和研究。
生物醫(yī)用陶瓷具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、生物相容性和無毒副作用，作為人工骨和假牙等早已使用。它和金屬材料與高分子材料相比，顯現(xiàn)出它的優(yōu)越性。例如不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料，但把它做成人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)，三五年后便會出現(xiàn)腐蝕斑，還會有微量鉻、鎳離子析出。鈦合金鋼耐腐蝕性好，但價(jià)格昂貴。有機(jī)高分子材料做成的人工器官容易老化。相比之下，生物醫(yī)用陶瓷更適合植入人體。醫(yī)用陶瓷還具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）陶瓷的化學(xué)成分和組成范圍可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求配料和控制燒制工藝，使其達(dá)到預(yù)定性能。（2）生物醫(yī)用陶瓷是在高溫下燒制形成，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，不會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象；在體內(nèi)不易溶解、氧化、腐蝕變質(zhì)，也便于消毒。（3）燒制前容易成型，可根據(jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸，燒制后表面光潔、耐磨性強(qiáng)，還便于后加工。（4）如作假牙，可配加適當(dāng)成分使其著色，具備美容和整容作用。
由氮化硅、氧化鋯、氧化鋁和碳化硅等組成的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，改善了傳統(tǒng)陶瓷的脆性，發(fā)揮這些化合物由共價(jià)鍵結(jié)合，具有高硬度、高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性、高電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛。將其制成軸承材料，工作溫度可達(dá)1200℃，比普通軸承的工作溫度高一倍以上。運(yùn)轉(zhuǎn)速度可達(dá)普通軸承的10倍，還可以免除潤滑劑。用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，工作溫度能穩(wěn)定在1300℃左右，由于燃料能充分燃燒而又不需要水冷系統(tǒng)，使熱效率大幅度提高。由于陶瓷的密度低于鋼鐵，用陶瓷制作的發(fā)動(dòng)機(jī)較輕，這對汽車、航空工業(yè)頗具吸引力，這些行業(yè)正致力于研制無冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，化學(xué)在其中發(fā)揮重大作用。
20世紀(jì)中葉以后發(fā)展起來的信息技術(shù)，在60年間的迅速發(fā)展，已經(jīng)成為影響國計(jì)民生最大的高新技術(shù)，成為科技發(fā)展的先導(dǎo)。
電子信息技術(shù)是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的綜合，它涉及信息的產(chǎn)生、收集、交換、存儲、傳輸、顯示、識別、提取、控制、加工和利用等方面。這些技術(shù)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)核心物質(zhì)，需要化學(xué)家的研制。下面以單晶硅和液晶為例說明。
單晶硅是計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)物質(zhì)，它決定著集成電路的生產(chǎn)水平，是信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的核心材料。
硅在地殼中的含量極為豐富，僅次于氧，居所有元素的第二位。硅的一般存在形式是硅石和硅酸鹽，它構(gòu)成巖石、沙子和泥土的主要成分。自然界中硅很少以單質(zhì)的硅形態(tài)存在。化學(xué)家將自然界中大量存在的石英，即二氧化硅（SiO2，又稱硅石），選出較純凈的晶態(tài)礦石或沙子，用高純焦炭通過下面的化學(xué)反應(yīng)，制得純度為95％以上的單質(zhì)硅。![]()
為了提純這種單質(zhì)硅，先將它和氯化氫（HCl）反應(yīng)，成為氣相化合物SiHCl3：![]()
將SiHCl3和雜質(zhì)分離，使它成為純度很高的SiHCl3。再按這個(gè)反應(yīng)的逆反應(yīng)，用高純氫氣還原，得到純度為6個(gè)9（即99.9999％）以上的高純硅。硅的熔點(diǎn)是1420℃。
將上述所得的高純硅在純凈的高真空或高純氬氣體條件下，在高純度石英坩鍋中熔融，再按提拉法讓晶體從熔融體中逐漸長大成大塊單晶硅。因它的外形呈圓柱形，故稱為圓柱形硅柱。圖6.4.1示出直徑達(dá)300毫米、長度約1400毫米的硅柱。![]()
圖6.4.1 圓柱形硅柱
將硅柱切成薄片，厚度一般為0.3毫米，稱為空白圓晶。在這硅片基礎(chǔ)上，一般經(jīng)過氧化、光刻、擴(kuò)散等程序制成集成電路。首先是氧化工藝，即在硅片表面氧化出一薄層二氧化硅，作為絕緣層和阻擋層；其次用類似照相技術(shù)的光刻工藝，按特定設(shè)計(jì)要求刻出沒有二氧化硅的“窗口”；第三，利用擴(kuò)散法或離子注入法進(jìn)行摻雜，由于二氧化硅薄層的存在，雜質(zhì)只能從窗口摻入；第四，為了在芯片上制造出各種元件，要反復(fù)利用上述方法，摻進(jìn)不同雜質(zhì)，做出不同性質(zhì)的元件和導(dǎo)線。現(xiàn)在利用0.3微米的線寬工藝可在1厘米×2厘米芯片上集成出1.4億個(gè)元件。目前線寬逐漸變窄，從90納米在線生產(chǎn)，最小到7納米，工藝研究成功。另外，單晶硅圓片的直徑越大，在一個(gè)圓片上集成所得元件越多，所得的電腦硬件處理器的性能大為提高，成本也大為降低。要使電腦的功能提高，單晶硅的生產(chǎn)是重要關(guān)鍵，各國化學(xué)家們都在不斷地研究超純硅的制造，以及直徑達(dá)400～500毫米圓柱形硅柱的制造。
在電子信息技術(shù)中，顯示出人們可以觀察到信息內(nèi)容的技術(shù)是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。家中的液晶電視機(jī)，就是將電視臺播出的世界各地的風(fēng)光和發(fā)生的大事，在電視機(jī)的液晶屏幕上顯現(xiàn)出來。液晶是介于液體和晶體之間、在一定溫度區(qū)間存在的一種物質(zhì)狀態(tài)。液晶的性質(zhì)是由它的分子幾何形狀決定的。已在應(yīng)用的各種液晶材料都是由化學(xué)家合成的有機(jī)化合物，它的分子形狀大體呈長棒形或圓盤形，長棒形液晶開發(fā)應(yīng)用較多。呈現(xiàn)液晶性質(zhì)的液晶分子，其排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可分為向列相、膽甾相和近晶相三種類型。它們都有一定的取向性，但沒有晶體中分子按周期性排列的特點(diǎn)，它們不是晶體，而是具有擇優(yōu)取向的液體。例如近晶相液晶中分子的排列像火柴盒中的火柴，站立著相擁在一起排成層狀。液晶中分子排列的各向異性，使得液晶相的宏觀性質(zhì)也出現(xiàn)各向異性，即不同的方向性質(zhì)不同。例如在同一種液晶中測定的折射率、介電常數(shù)、磁化率、反射率等物理性質(zhì)的數(shù)值并不相同。電子工業(yè)和信息工業(yè)的技術(shù)工程師們，利用改變液晶分子排列所需的驅(qū)動(dòng)力極低這一特性，制作成液晶顯示面板顯示出傳輸?shù)男畔?。小的電子產(chǎn)品如液晶顯示全電子數(shù)字石英手表，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、造價(jià)低、功耗小和功能多樣的特點(diǎn)；液晶顯示通話人圖像的手機(jī)電話，大大地拉近了通話人之間的距離。中等大小的產(chǎn)品如液晶彩色電視機(jī)，已進(jìn)入千家萬戶。大型的顯示屏幕如北京天安門廣場中長達(dá)五六十米、寬約3米的顯示屏，可供萬千觀眾欣賞。電子信息技術(shù)不斷在發(fā)展，對具有液晶性質(zhì)的化合物的要求也越來越高。化學(xué)是什么？化學(xué)是一門研究各種工業(yè)技術(shù)發(fā)展所需優(yōu)質(zhì)材料的基礎(chǔ)科學(xué)。
6.5.1 單質(zhì)碳簡介碳元素在地殼中的含量按質(zhì)量計(jì)只占0.027％，數(shù)量很少，元素豐度排序，位居第14位。地殼中的碳99.7％以煤、甲烷和碳酸鹽的形式存在，0.2％在大氣中以CO2和CH4出現(xiàn)，剩余不到0.1％的碳構(gòu)成地球上全部生命物質(zhì)的主要基礎(chǔ)，即有機(jī)物。碳能以很少的數(shù)量構(gòu)成已知種類達(dá)數(shù)千萬種的有機(jī)化合物，關(guān)鍵在于碳原子間能形成豐富多彩的化學(xué)鍵。碳原子基態(tài)時(shí)的價(jià)電子組態(tài)為C（2s）2（2px）1（2py）1，當(dāng)碳和其他原子化合成鍵時(shí)，電子組態(tài)變?yōu)椋?s）1（2px）1（2py）1（2pz）1，組成sp3雜化軌道、sp2或sp雜化軌道去和其他原子成鍵。晶態(tài)的單質(zhì)碳有金剛石、石墨和球碳三種類型，它們的化學(xué)鍵型式不同，結(jié)構(gòu)型式也不同，下面分別加以敘述。金剛石的結(jié)構(gòu)示于圖6.5.1，在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)C原子都以sp3雜化軌道和周圍4個(gè)C原子按四面體形的方向形成C—C單鍵，鍵長154.5 pm。在金剛石晶體中，C—C鍵貫穿整個(gè)晶體，各個(gè)方向都結(jié)合得很完美，使金剛石具有抗壓強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)等特優(yōu)的功能。![]()
圖6.5.1 金剛石結(jié)構(gòu)
金剛石是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，莫氏硬度定為10，折射率高（nD＝2.4173），對稱性高，純凈的為無色透明的晶體，有的因含雜質(zhì)而出現(xiàn)黃、藍(lán)、綠、褐等顏色，經(jīng)過精細(xì)雕琢形成對稱多面體，在光照下呈現(xiàn)霓虹色彩、光芒四射、美麗非凡。由于它產(chǎn)量稀少，特別是顆粒大的金剛石更少，是被人們視為鉆石的珍寶，是純潔和力量的象征。金剛石顆粒的大小常用它的質(zhì)量計(jì)，質(zhì)量單位為克拉（carat，ct），1克拉＝0.2克。已知世界上發(fā)現(xiàn)的天然金剛石超過1000克拉的只有兩顆，超過500克拉的也只有20多顆，是非常名貴的寶石。
石墨是碳元素在自然界中存在的最普遍的一種型式。石墨的晶體結(jié)構(gòu)由六角形碳環(huán)的平面層組成，層中的每個(gè)C原子以sp2雜化軌道和相鄰的3個(gè)C原子形成等距離的3個(gè)σ鍵，構(gòu)成蜂窩狀的平面層，如圖6.5.2（a）。每個(gè)C原子垂直于該平面還有一個(gè)未參加雜化的p軌道和其中的一個(gè)電子，它們沿著層的平面相互疊加形成離域π鍵，可看作二維的金屬鍵，電子可以在層中自由移動(dòng)，將C原子結(jié)合得更緊密，層中C—C鍵長縮短為141.8 pm，比金剛石中的鍵長短，鍵強(qiáng)增加。石墨晶體由這種層平行堆積而成，圖6.5.2（b）示出一種六方石墨晶體的結(jié)構(gòu)。![]()
圖6.5.2 石墨的結(jié)構(gòu)
在石墨晶體中，層間通過π-π軌道的疊加作用和分子間的范德華引力結(jié)合在一起，層間距離達(dá)335pm，表明層間結(jié)合力較弱，當(dāng)受到平行于層的外力推動(dòng)，就會使層分離而成石墨烯。
球碳是由碳原子組成的球形分子，每個(gè)分子由幾十個(gè)到幾百個(gè)碳原子組成，這類碳分子是在20世紀(jì)70年代人工合成制得。將兩個(gè)石墨電極在氦氣氣氛中通電產(chǎn)生電弧，石墨蒸發(fā)成碳蒸氣，環(huán)合凝結(jié)成碳煙，其中包含有球碳，可將它溶于苯中結(jié)晶提純制得。現(xiàn)在人們用各種方法制備球碳時(shí)，具有足球外形的球碳C60在產(chǎn)物中含量較高，這是由于這個(gè)多面體分子具有很高的對稱性。在C60分子中，每個(gè)C原子和周圍3個(gè)C原子形成了3個(gè)σ鍵，剩余的軌道和電子則共同組成離域π鍵。若按價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式表達(dá)，每個(gè)C原子和周圍3個(gè)C原子形成兩個(gè)單鍵和一個(gè)雙鍵。C60分子為32面體，由12個(gè)五元環(huán)面和20個(gè)六元環(huán)面組成，形狀如足球，如圖6.5.3（a）所示，通稱足球碳。C60分子有90條C—C鍵，其中由2個(gè)六元環(huán)共邊的鍵較短，鍵長為139皮米，六元環(huán)和五元環(huán)共邊的鍵較長，為144皮米，如圖6.5.3（b）所示。若近似地用價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式表達(dá)，30條六元環(huán)共邊的鍵為雙鍵，60條六元環(huán)和五元環(huán)共邊的鍵為單鍵。![]()
圖6.5.3 （a）足球，（b）球碳C60分子
除C60外，人們還得到C20、C50、C70、C72、C74、C78、C82、C84等許多球碳分子。圖6.5.4示出C20、C50、C70、C72、C74以及C78的兩種結(jié)構(gòu)的多面體。![]()
圖6.5.4 球碳分子的結(jié)構(gòu)
單質(zhì)碳除上述3類同素異形體外，還存在大量的無定形碳，包括炭黑、煙炱、活性炭、焦炭等。煤是由晶態(tài)的石墨、無定形的炭以及許多有機(jī)化合物和雜質(zhì)的混合物。碳納米管可看作石墨的平面層卷曲形成的管狀碳管，也可看作橢球形的球碳沿著長軸不斷生長形成。圖6.5.5示出單層碳納米管的結(jié)構(gòu)。
![]()
圖6.5.5 單層碳納米管的結(jié)構(gòu)
在煙炱的微粒中，包含有洋蔥狀層形結(jié)構(gòu)顆粒。據(jù)觀察，顆粒直徑在3～1000納米，理想的洋蔥形碳粒第1層為C60，第2層為22×60個(gè)碳原子，第n層有n2×60個(gè)碳原子，一層包一層像洋蔥，它的分子式為：![]()
納米金剛石（nanodiamond，ND）是指粒徑大小處在納米量級的金剛石晶體。它是一種重要的合成材料。從20世紀(jì)中期起，人們根據(jù)金剛石的密度（3.513g·cm-3）遠(yuǎn)大于石墨的密度（2.260 g·cm-3），以石墨為原料，加鎳或鈷作催化劑，在高溫（≈1800 K）、高壓（≈6000 MPa）的密閉條件下，使石墨變成金剛石。它也可用爆炸方法、沖擊波方法等進(jìn)行合成。人工合成的金剛石，很難達(dá)到寶石級，主要是納米量級的顆粒。納米金剛石具有較高穩(wěn)定性、無毒性、硬度高等特點(diǎn)，大部分用作磨料，廣泛地應(yīng)用于金屬的切割、拋光硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等材料，還用于制作鉆頭，供地質(zhì)鉆探用。對于人工制造金剛石，仍在不停地進(jìn)行探索研究，現(xiàn)在每年已能成噸地批量生產(chǎn)。納米量級的金剛石具有巨大的比表面、化學(xué)穩(wěn)定性、無毒性，以及它的表面反應(yīng)性能，可以用它作為研制新材料的基礎(chǔ)，通過多種表面功能化的方法，生產(chǎn)特定性能的材料。這種方法是在納米金剛石表面碳原子上連接出含有某種功能的基團(tuán)，再在這些基團(tuán)的基礎(chǔ)上衍生出性能優(yōu)異、分子大小合用的納米金剛石衍生物。
你們也許不會想到你們每人都制造和使用過石墨烯，因?yàn)槟銈冇勉U筆寫過字。鉛筆不含鉛，是石墨和若干黏結(jié)劑混合在一起做成的鉛筆芯。你用鉛筆寫字時(shí)，通過手的力量將石墨分離成石墨烯，附著在紙上，顯示出字形。進(jìn)入21世紀(jì)，蓋姆（Geim）和諾沃斯洛夫（Novoselov）用膠帶剝離出單層石墨烯，并研究其特性。其令人驚嘆的優(yōu)異性質(zhì)，激發(fā)人們對這種材料產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣。單層石墨烯中每個(gè)C原子和周圍3個(gè)C原子以sp2雜化軌道形成σ鍵外，還有垂直于層的pz軌道上電子互相疊加，形成離域π鍵，電子可在層的上下層面自由運(yùn)動(dòng)，顯示金屬性質(zhì)，增加層內(nèi)原子間的結(jié)合力，使這種由原子組成的六角形網(wǎng)格層的機(jī)械強(qiáng)度大大增加。有人估算，若能做一張1平方米的單層石墨烯，四邊加以固定，這種厚度只有0.34納米的網(wǎng)，總質(zhì)量約0.77毫克，上面放一只貓也不會破。單層石墨烯因?yàn)榉浅１?，透光性好，還可以折疊。單層石墨烯中自由運(yùn)動(dòng)的π電子，在通電時(shí)電阻非常小，不產(chǎn)生熱量，用它制作電容器，導(dǎo)電功能極佳，電容量大，充電速度極快。又如多層石墨烯層間加進(jìn)所需的離子或分子形成多層三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯，其中離子或分子可多可少、可大可小、可以移動(dòng)。利用石墨烯制作的鋰離子電池、鋁離子電池等，充電速度快、電量大。石墨烯邊緣上的碳原子是不飽和的碳原子，可以加上所需的化學(xué)基團(tuán)，改變或調(diào)節(jié)石墨烯的功能。
將石墨烯及其衍生物和高分子材料結(jié)合制成復(fù)合材料，可以提高材料的性能。例如環(huán)氧樹脂中加入少量石墨烯形成的復(fù)合材料，可以增強(qiáng)材料的抗疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。石墨烯是由單層碳原子組成的二維晶體，具有獨(dú)特的電學(xué)特性，在現(xiàn)今探索研究納米電子器件和集成電路、柔性電子器件、超靈敏傳感器等新型電子器件具有廣闊的應(yīng)用前景。例如石墨烯具有超高的載流子遷移率和極薄的單原子層厚度，是一種極具吸引力、可代替現(xiàn)有的硅材料制造體積極小的晶體管的材料。在能源領(lǐng)域，石墨烯作為超級電容材料、鋰離子電池材料、鋁離子電池材料、燃料電池材料、太陽能電池材料的應(yīng)用，對發(fā)展電能生產(chǎn)起了重大的作用，為人們對能源需求的快速發(fā)展和減少對環(huán)境的損害，提供了發(fā)展方向。例如超級電容器能快速地儲存和釋放能量，能量密度超過傳統(tǒng)的絕緣體電容器幾個(gè)數(shù)量級。超級電容器具有較長的使用壽命和極高的能量密度，這些優(yōu)點(diǎn)使能源工業(yè)的發(fā)展顯現(xiàn)誘人前景。石墨烯的應(yīng)用前景非常廣闊，其優(yōu)點(diǎn)在于具有極薄的層狀結(jié)構(gòu)，用它作基礎(chǔ)材料，可免去硅單晶切片、磨制的工序。但是納米量級的大小，人們怎樣去操作加工？人手的大小和納米器件的尺寸相差上億倍。就像《西游記》神話小說中描述如來佛手的大小比本領(lǐng)高強(qiáng)的孫悟空身體大上億倍，孫悟空一個(gè)跟頭翻出十萬八千里，也沒有跳出如來佛的手心，如來佛以此制服孫悟空。加工納米器件不能直接用手去操作，必須要用到極為細(xì)小的工具，大小在納米量級，精確地進(jìn)行加工，才能獲得合用的器件。請讀者思考：利用納米量級石墨烯材料制造出精美電子器件時(shí)，碰到下列問題應(yīng)如何去解決？（1）怎樣在前人工作基礎(chǔ)上，革新創(chuàng)造，從石墨或其他碳原料制出所需的大小尺寸的單層石墨烯、多層石墨烯，缺陷達(dá)到最少，能重復(fù)生產(chǎn)出規(guī)格統(tǒng)一的材料？
（2）怎樣在層間插入所需要的離子或分子，以改變其性能，測定出它所具有的特性？
（3）怎樣將上述的層加以切割、控制其大小尺寸以滿足器件所要的規(guī)格？
（4）怎樣在切割所得的器件邊緣，使碳原子和指定的基團(tuán)結(jié)合，成為所需的品質(zhì)優(yōu)秀的石墨烯化合物？（5）怎樣測試所得的石墨烯材料所具有的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)？（6）怎樣將合格的材料組裝成設(shè)計(jì)好的器件并加以測試應(yīng)用？上述許多問題擺在化學(xué)家和物理學(xué)家面前，經(jīng)過十多年的努力，已得到了許多重大成果，創(chuàng)建出石墨烯產(chǎn)業(yè)。在前面一章討論到氫能源的利用時(shí)，關(guān)鍵之一是解決儲氫容器。利用石墨烯和碳纖維樹脂等制成儲氫罐，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，不會在高壓下爆炸，還能防止氫氣滲漏，是制造氫燃料汽車、飛機(jī)、火箭等，解決其能源的重要途徑。我國是石墨烯研究大國，有一支龐大的研究隊(duì)伍，在產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用上取得了優(yōu)異的成績，例如鋰離子電池、鋁離子電池、手機(jī)觸摸屏等領(lǐng)域已進(jìn)入量產(chǎn)階段。衷心希望石墨烯的研究人員廣開思路，開拓創(chuàng)新，持之以恒地在實(shí)踐中解決遇到的難題，成為新時(shí)代的領(lǐng)軍人物，創(chuàng)建領(lǐng)軍產(chǎn)業(yè)。
![]()
技術(shù)咨詢服務(wù)包括：北京高校科技資源對接、危險(xiǎn)廢棄物梳理、環(huán)境影響評價(jià)、環(huán)保項(xiàng)目竣工驗(yàn)收、場地環(huán)境調(diào)查等多個(gè)領(lǐng)域。開展的分析測試服務(wù)包括：X射線衍射分析、土壤礦物檢測、水質(zhì)檢測、場地環(huán)境檢測、二噁英檢測、建材VOC檢測、固廢檢測、理化參數(shù)等檢測項(xiàng)目，已取得CMA檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定和ISO/IEC 17025檢測實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可資質(zhì)。科學(xué)儀器研發(fā)方面：具備國內(nèi)領(lǐng)先的 X 射線衍射 / 熒光分析儀器的研發(fā)生產(chǎn)能力，在 X 射線分析儀器的開發(fā)領(lǐng)域擁有多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)。單位先后通過北京市級企業(yè)科技研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、高新技術(shù)企業(yè)、中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)等認(rèn)證。 若您有任何咨詢問題，可聯(lián)系我們，我們會為您解答。400-0064-028 、010-62423361
![]()
免責(zé)聲明：資料來源網(wǎng)絡(luò)，以傳播知識、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨，所提供內(nèi)容僅供讀者參考交流，科學(xué)研究使用，其他用途不得轉(zhuǎn)載或下載。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時(shí)刪除。
13611330937