碳納米材料發(fā)展多年正處于大突破前夜

以富勒烯、金屬富勒烯和碳納米管為代表的碳納米材料，在經(jīng)歷了20世紀(jì)90年代的研究高潮后，已進(jìn)入較為平穩(wěn)扎實的研究階段。隨著研究的不斷深入，碳納米材料在人類生產(chǎn)和生活中正顯示出越來越多的不可替代的重要作用。出席日前在京舉行的以 “碳納米材料的發(fā)展戰(zhàn)略”為主題的第370次香山科學(xué)會議的專家認(rèn)為，以富勒烯為代表的碳納米材料，經(jīng)過多年的積累正處于大發(fā)展大突破的前夜，碳納米材料展示出令人鼓舞的應(yīng)用前景。

會議執(zhí)行主席、中科院化學(xué)所研究員王春儒作了題為《碳納米材料的發(fā)展與應(yīng)用》的評述報告。王春儒說，碳納米材料是納米科學(xué)最為活躍的研究領(lǐng)域之一。納米科學(xué)的快速發(fā)展很大程度上得益于20世紀(jì)80年代以來發(fā)現(xiàn)的富勒烯、納米管和石墨烯等碳納米材料。目前，碳納米材料已從富勒烯和納米管擴展到納米角、石墨烯直至最近剛剛出現(xiàn)的石墨炔等一系列新材料，并極大地推動納米科學(xué)的繁榮。

以富勒烯為例，其形成機理已基本明確?？茖W(xué)家們利用各種方法合成分離了小至C20，大至C240的富勒烯；進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有金屬原子嵌入富勒烯內(nèi)形成金屬富勒烯或?qū)μ蓟\表面進(jìn)行修飾，極其不穩(wěn)定的違反獨立五元環(huán)規(guī)則的富勒烯亦可被穩(wěn)定下來，由此開辟了富勒烯研究的新領(lǐng)域。

近年來，我國在富勒烯和金屬富勒烯類功能材料研究方面也取得長足進(jìn)步。中科院化學(xué)所、廈門大學(xué)、北京大學(xué)等多家科研機構(gòu)在富勒烯和內(nèi)嵌富勒烯的合成、分離、化學(xué)修飾、分子組裝、生物醫(yī)學(xué)、光電材料、催化等方面做了大量工作，并在新結(jié)構(gòu)富勒烯研究、富勒烯衍生物研究等方面取得系列成果。

碳納米管在機械方面具有非常高的機械強度和彈性，在電子學(xué)方面具有優(yōu)良的導(dǎo)體或半導(dǎo)體特性；在光學(xué)方面具有優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)。納米管這些優(yōu)良的特性使其有可能被廣泛應(yīng)用在信息、光電、生命、能源、傳感、材料等各個領(lǐng)域，成為納米科學(xué)領(lǐng)域持久不衰的研究熱點之一。目前，碳納米管科學(xué)仍處在快速發(fā)展之中，新發(fā)現(xiàn)、新應(yīng)用層出不窮。

石墨烯是近幾年飛速發(fā)展起來的一種碳納米材料。單層石墨烯厚度只有0.335nm，它最大的特性是導(dǎo)電速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他導(dǎo)體材料，可用在導(dǎo)電薄膜、電極材料、傳感器等方面。石墨烯還有強度大的優(yōu)點，可作為添加劑廣泛應(yīng)用到高強度復(fù)合材料之中。雖然石墨烯發(fā)現(xiàn)不足10年，但已步入研究的黃金時期。

與會專家介紹，富勒烯新材料的許多不尋常的特性幾乎都可以在現(xiàn)代科技和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)方面找到實際應(yīng)用，在許多高新技術(shù)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值可能是關(guān)鍵性的和無法替代的?；诟焕障┑膯畏肿诱鳌⒎糯笮?yīng)的發(fā)現(xiàn)，顯示出富勒烯在納米電子學(xué)方面廣闊的應(yīng)用前景；由C60衍生物制作的太陽能電池具有柔性和低成本等特點，其產(chǎn)品開發(fā)已接近實用階段。

碳納米管由于其高機械強度和彈性、優(yōu)良的半導(dǎo)體特性，以及高比表面積和強吸附特性，使其在儲能、單電子晶體管、高能微型電池、高能電容器、高溫防護(hù)材料等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。碳納米號角作為納米管的一種特殊形式，由于無催化劑污染、均勻的納米尺寸結(jié)構(gòu)和大的比表面積和空腔，將在藥物的靶向輸送和緩釋方面有重要的應(yīng)用價值。

石墨烯自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)的研究和新聞就未曾間斷過。現(xiàn)在，科學(xué)家首次證實了石墨烯是目前世界上已知強度最高的材料。石墨烯由于具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，可望在高性能納電子器件、復(fù)合材料、場發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

工業(yè)化生產(chǎn)是碳納米材料應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。與會專家指出，目前碳納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)問題還沒有完全解決。雖然納米管、富勒烯等碳納米材料都可以實現(xiàn)量產(chǎn)，但是生產(chǎn)富勒烯的成本高、納米管的純化難等技術(shù)問題亟待解決。富勒烯、非常規(guī)富勒烯的制備問題是研究人員面臨的一項巨大挑戰(zhàn)；對于碳納米管，其結(jié)構(gòu)可控制備可能是未來研究的重點；而對于石墨烯來說，如何獲得大面積、均勻的石墨烯仍是目前石墨烯制備中未攻克的難點。