石墨烯正在进入运动设备和汽车轮胎领域

YIMING HU/NATURE SYNTHESIS

这种新的碳同素异形体是首次批量生产的，而半导体石墨烯不是。

自18年前石墨烯被发现并于2010年获得诺贝尔物理学奖以来，这种多功能材料已经被研究了数百种应用。其中包括强力复合材料、高容量电池电极、用于显示器和太阳能电池的透明导电涂层、超小型和超快晶体管以及可打印电子产品。

尽管石墨烯正凭借其特点还在进入运动设备和汽车轮胎领域，但其备受推崇的电子应用却进展缓慢。一个原因是大块石墨烯不是半导体。为了使其半导体化（这对晶体管至关重要），必须以具有适当尺寸比的纳米带的形式生产。

还有另一种与石墨烯有关的一维形式的碳，科学家们早在1987年就首次预测到了，这是一种不需要切割成特定形状和尺寸的半导体。但事实证明，这种叫做graphyne（石墨炔）的材料几乎不可能制造出超过微观数量的产品。

现在，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员报告了一种批量生产石墨炔的方法。科罗拉多大学博尔德分校化学教授Wei Zhang说：“通过使用我们的方法，我们可以制作散装粉末样品。我们发现了由20到30层组成的多层石墨片。我们很有信心可以使用不同的剥脱方法来收集几层甚至只是一层。”

石墨、金刚石、富勒烯和石墨烯都是碳同素异形体，它们的不同性质来自于它们的碳原子之间多种类型的键的组合和排列。因此，虽然金刚石中碳原子的三维立方晶格使其异常坚硬，但石墨烯中六角形晶格中的单层碳原子使其具有极强的导电性。

石墨炔类似于石墨烯，因为它是一层原子厚的碳原子。但它可以取代六角形晶格，采用不同的结构，即碳原子之间通过三键连接的间隔环。

这种材料独特的导电、半导体和光学特性使其在电子应用方面比石墨烯更令人兴奋。理论上，石墨炔的固有电子迁移率可能比石墨烯高50%。在一些石墨炔中，电子只能在一个方向上传导。该材料还具有其他激发特性，如离子迁移率，这对电池电极很重要。

中国青岛科技大学的Zhang，Yingjie Zhao和他们的同事用一种叫做炔烃复分解（alkyne metathesis）的方法制造了石墨。这是一种由催化剂引发的有机反应，在这种反应中，碳氢化合物分子中碳原子之间的化学键可以断裂并重组，以达到更稳定的结构。

这一过程复杂而缓慢。但它能产生足够的石墨炔，使科学家能够深入研究这种材料的特性，并评估其潜在应用。Zhang说：“至少需要几年的时间才能对这些材料有一些基本的了解。然后，它将处于良好状态，以便人们将其提升到更高的水平，即针对特定的半导体或电池应用。”

他和他的同事计划研究如何大量生产这种材料。他说，能够使用基于溶液的化学反应对于在工业相关规模上制造石墨炔至关重要。

不过，这只是石墨炔研究的开始，就目前而言，能够制造出足够数量的这种long-hypothesized材料是令人兴奋的第一步。Zhang表示：“20世纪80年代发现了富勒烯，90年代初发现了纳米管，2004年发现了石墨烯。从发现一种新的碳同素异形体到深入研究再到首次应用，所用的时间已经越来越短。我已经接到世界各地风险投资家的电话。但我告诉他们，现在还有点早。”

原文标题：为什么石墨炔不是石墨烯2.0

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审核编辑：彭静