材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。材料技術的每一次進步，幾乎都會推進生產(chǎn)力的發(fā)展，甚至會促進人類社會的進步與飛躍。時至今日，人們對材料的探索也從未停歇。
納米碳材料是過去三十年來材料科學領域重要的科學發(fā)現(xiàn)，其發(fā)現(xiàn)者已獲得諾貝爾物理學獎和化學獎，而目前人們對納米碳材料的探索熱度不減，甚至猶有過之。以碳納米管和石墨烯為代表的納米碳材料具有遠高于半導體硅材料的載流子遷移率、超高的熱導率和力學強度，有望在未來半導體、微納電子、能源和輕質(zhì)高強材料等領域發(fā)揮核心作用，成為主導未來高科技產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略材料之一。發(fā)展具有中國標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，英國科學家Harold W. Kroto和美國科學家Robert F. Curl、Richard E. Smalley在美國萊斯大學首次制備出富勒烯，即Ca分子，并推測其類似于足球的中空籠子結構，他們?yōu)槠淙∶�富勒�?Buckminster fullerene) ，以此向1967 年設計蒙特利爾世界博覽會短程線拱頂?shù)拿绹�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。富勒烯開創(chuàng)了人類合成納米碳材料的先河，為人類打開了納米碳材料世界的大門。1996年，三位科學家也因發(fā)現(xiàn)富勒烯榮獲諾貝爾化學獎。經(jīng)過30多年的探索與發(fā)展，現(xiàn)在富勒烯被廣泛應用于結構材料、潤滑油、化妝品和生物醫(yī)藥等領域。
在富勒烯研究推動下，1991年一種更加奇特的碳結構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道。單壁碳納米管為中空的管狀結構，管身由一系列六元碳環(huán)組成，管一端可以看作半個富勒烯結構，多壁碳納米管則可看作由一系列單壁管同軸嵌套組成。觀察其結構可以發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以分為三種類型:軸對稱的鋸齒型(zigzag)、扶手椅型(armchair)和不具有軸對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體，并且其力學強度極高，單根碳納米管拉伸強度可達100 GPa。而由于其是一維管狀納米結構，因此也有獨特的性質(zhì)，即呈現(xiàn)一維電子氣特性，碳納米管的能帶結構中存在范霍夫奇點，并且碳納米管也有金屬性與半導體性之分，若不特殊控制，隨機合成的單璧碳納
米管中半導體性碳納米管占2/3。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的遷移率高達105 cm2/(V·s)，遠強于硅。基于這種特性，人們非常期待碳納米管可以取代硅，作為下一代半導體的溝道材料。目前，5nm溝道寬度碳納米管場效應晶體管已經(jīng)成功制備；而在2019年，碳基微處理器RV16X- NANO被麻省理工學院(MIT)成功制造出來，其由14000多個碳納米管CMOS晶體管組成，可執(zhí)行32位指令�？梢哉f，場效應晶體管及集成芯片一直是碳納米管受人們期待的應用方向之一。除此之外，碳納米管還被期待應用于導電薄膜、熱管理材料、增強劑等其他多種門類。目前，碳納米管產(chǎn)業(yè)化也已經(jīng)在逐步推進，人們已經(jīng)可以獲取商品化的碳納米管，但是其撒手锏級應用仍有待進一步突破。
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)。石墨烯是由英國曼徹斯特大學的兩位科學家AndreGeim和KonstantinNovoselov于2004年通過石墨晶體機械剝離得到的。石墨烯的發(fā)現(xiàn)打破了朗道等人預言的二維晶體不會存在的規(guī)律，而利用膠帶等機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)的過程共同為人們推開了二維材料世界的大門。六年之后，2010年，兩位科學家也因此榮獲諾貝爾物理學獎，這是碳材料領域獲得的第二個諾貝爾獎。石墨烯的結構可以看作單層石墨，其成鍵方式與石墨完全相同，但是只有一個原子層厚度。石墨烯具有優(yōu)異的力學、電學、熱學、光學性質(zhì)。石墨烯是已知強度高的材料之一，同時還具有很好的韌性，理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa；石墨烯沒有帶隙，是典型的狄拉克材料，其能帶結構中存在線性色散特性曲線，，遷移率達105 cm2/(V·s)；石墨烯的熱導率為5300W/(m·K)，是迄今為止導熱系數(shù)高的碳材料；石墨烯具有非常良好的光學特性，在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為2.3%。目前石墨烯是納米碳材料領域熱門的研究內(nèi)容之一，并且也已經(jīng)逐步推廣到產(chǎn)業(yè)界。學術界和產(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，實現(xiàn)石墨烯撒手锏級應用、制備生產(chǎn)拳頭產(chǎn)品，仍是目前行業(yè)內(nèi)共同面對的挑戰(zhàn)。
石墨烯等材料的成功制備也鼓舞著人們進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，去開發(fā)符合人們需要的新材料。實際上，早在1987年就有人沿著這一思路進行過思考：著名理論科學家R. H. Baughman等首次提出了一種由sp2雜化碳原子共同構成的二維碳材料，該結構被認為與其他以炔基結構為主要骨架結構的碳材料相比更穩(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，理論計算表明，石墨炔同樣具有十分優(yōu)異的電子學性質(zhì)，甚至在某些方面可能超過現(xiàn)有的石墨烯（這部分內(nèi)容將在文中詳細討論）。2010年，中國科學院化學研究所李玉良院士團隊首次以六炔基苯為前驅體，通過銅催化的分子間端炔偶聯(lián)反應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實驗研究的轉變奠定了基礎。許多納米碳材料，如碳納米管、石墨烯等均具有獨特的電子學性質(zhì)，石墨炔也不例外，甚至可以說是具有吸引力的獨特性質(zhì)。對石墨炔電子學性質(zhì)研究的結果表明，具有六方對稱性的石墨炔的能帶結構中也出現(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體，這意味著石墨炔在電子器件領域的應用將非常有吸引力。另外，石墨炔含有共軛二炔鍵，使得材料在保持一定的結構穩(wěn)定性之余，還保持一定的化學活性，其為富電子體系，非常有研究價值。目前，石墨炔在能源、催化等領域正發(fā)揮著日益重要的作用。
我國對納米碳材料的研究已經(jīng)處于全球材料研究領域的第.一方陣，在材料制備、性質(zhì)和應用的研究、產(chǎn)業(yè)化推進等方面，都處于世界一流水平。富勒烯是我國科學家較早關注的納米碳材料，目前其制備技術和性質(zhì)研究已經(jīng)應用于太陽能電池、疾病治療、量子材料等應用領域，中國科學院化學研究所王春儒研究員團隊實現(xiàn)了富勒烯在腫瘤等重大疾病治療方面的應用。在碳納米管研究領域，我國科學家在手性控制制備、納電子器件應用、鋰電池導電漿料工業(yè)應用等方面都取得了重大進展，北京大學張錦院士和李彥教授分別實現(xiàn)了單一手性單壁碳納米管的可控制備，北京大學彭練矛院士實現(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1000噸／年的定向碳納米管生產(chǎn)線，并形成了萬噸級動力電池碳漿生產(chǎn)線，制定了碳納米管導電漿料國家標準。我國在石墨烯領域的研究已經(jīng)走在世界前列，北京大學劉忠范院士、彭海琳教授團隊實現(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應用；中國科學院金屬研究所成會明院士團隊發(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，并通過專利轉讓，成立深圳烯材科技有限公司。石墨炔是具有中國標簽的新型納米碳材料，具有優(yōu)異的電學性質(zhì)和獨特的結構特性，由中國科學院化學研究所李玉良院士團隊于2010年首次成功制備，目前我國科學家已經(jīng)實現(xiàn)了從石墨炔的結構控制制備到能源和催化應用等方面的重要突破。
制備決定未來，納米碳材料的發(fā)展應立足于結構可控制備，發(fā)展放量制備及產(chǎn)業(yè)化裝備研制等核心技術，明確納米碳材料的市場需求，建立并規(guī)范材料的標準，進一步開拓納米碳材料的撒手锏級應用領域。
本書就是在以上這個背景下組織編寫的，其內(nèi)容涵蓋目前納米碳材料的四大領域，按照發(fā)現(xiàn)的時間順序，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去、現(xiàn)在和將來。在編撰時力爭做到系統(tǒng)性、專業(yè)性和即時性，本書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卷有益，對行業(yè)的研究工作也有益處。本書中，富勒烯部分由中國科學院化學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整理；碳納米管部分由北京大學張錦院士編寫，北京大學于躍、劉偉銘、孫丹萍、林德武、錢柳、張樹辰和焦琨參與了資料的收集和整理，其中林德武負責了整章的修訂工作；石墨烯部分由北京大學彭海琳教授編撰，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、賈開誠和唐際琳參與了資料的收集和整理，其中賈開誠負責了整章的修訂工作；石墨炔部分由中國科學院化學研究所李玉良院士、李勇軍和劉輝彪研究員共同完成。本書的編者長期工作于納米碳材料科研一線，在百忙中抽出寶貴時間傾力參與并出色完成了本書的編撰工作，對各位作者的付出，筆者在此深表謝意。 華東理工大學出版社的朋友們?yōu)楸緯�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雜，受限于時間、水平等因素，本書難免存在諸多不足和謬誤，懇請廣大讀者朋友批評指正。